Jak spawać odlewane aluminium: techniki, przygotowanie i typowe błędy

Tak, odlewane aluminium można spawać, ale wymaga to starannego przygotowania, odpowiedniego procesu i zrozumienia, dlaczego zachowuje się inaczej niż aluminium kute. Najbardziej niezawodną metodą jest spawanie metodą TIG (GTAW) prądem przemiennym przy użyciu ER4043 lub ER5356 drutu elektrodowego, po dokładnym oczyszczeniu i podgrzaniu części do temperatury 150–230°C (300–450°F). Pomiń którykolwiek z tych kroków, a ryzykujesz pękaniem, porowatością lub niepełnym stopieniem.

Dlaczego odlewane aluminium jest trudniejsze do spawania niż aluminium kute

Odlewane stopy aluminium zawierają wyższą zawartość krzemu (do 12% w niektórych gatunkach odlewanych ciśnieniowo) i często zawierają uwięzione gazy, wtrącenia tlenkowe i porowatość wewnętrzną powstałą w pierwotnym procesie odlewania. Po zastosowaniu ciepła uwięzione gazy rozszerzają się i ulatniają przez jeziorko spawalnicze, powodując powstawanie pęcherzyków i pustych przestrzeni. Nierówna struktura ziaren powoduje również, że materiał jest bardziej podatny na pękanie na gorąco w pobliżu strefy wpływu ciepła (HAZ).

Typowe odlewane stopy aluminium, z którymi się spotkasz, obejmują:

• A356 / 356,0 — głowice cylindrów, kolektory dolotowe (najbardziej spawalne)
• A380 — obudowy, wsporniki odlewane ciśnieniowo (bardzo trudne, duża zawartość cynku)
• 319 — bloki silnika (średni stopień trudności)
• 535 — części morskie (spawalne, o wysokiej zawartości magnezu)

Jeśli nie znasz dokładnego stopu, potraktuj to jako wymagające zadanie i zbłądź po stronie dalszych prac przygotowawczych.

Niezbędne przygotowanie przed zajarzeniem łuku

Przygotowanie stanowi około 80% udanej spoiny odlewu aluminiowego. Główną przyczyną niepowodzeń spoin jest złe przygotowanie.

Krok 1 — Zidentyfikuj i usuń skażenie

Przed zastosowaniem ciepła należy usunąć olej, smar, farbę i stary materiał uszczelek. Użyj acetonu lub specjalnego środka do czyszczenia aluminium nałożonego na niestrzępiącą się szmatkę. Nie używaj rozpuszczalników na bazie ropy naftowej – pozostawiają ślady. W przypadku części silnika, standardową praktyką w profesjonalnych warsztatach jest namaczanie zbiornika na gorąco lub mycie części środkiem odtłuszczającym bezpiecznym dla aluminium, a następnie płukanie.

Krok 2 — Mechaniczne oczyszczenie warstwy tlenkowej

Aluminium tworzy warstwę tlenku glinu (Al₂O₃) niemal natychmiast po wystawieniu na działanie powietrza. Tlenek ten ma temperaturę topnienia około 2050°C – znacznie wyższą niż temperatura topnienia samego aluminium wynosząca 660°C. Jeśli go spawasz, tlenek zapobiega stopieniu. Użyj dedykowanej szczotki drucianej ze stali nierdzewnej (nigdy takiej, której nie używa się do stali, gdyż spowoduje to zanieczyszczenie aluminium), aby wyszorować obszar złącza bezpośrednio przed spawaniem. Tarcza listkowa o ziarnistości 80 na szlifierce kątowej również dobrze sprawdza się w przypadku większych powierzchni.

Krok 3 — Wykonaj rowek w kształcie litery V lub skosuj pęknięcie

W przypadku pęknięć zeszlifuj lub wyprowadź pełny rowek w kształcie litery V, aby uzyskać czysty, zdrowy metal. Rowek powinien mieć u góry co najmniej 3–4 mm szerokości i sięgać do pełnej głębokości pęknięcia. Na końcu każdego pęknięcia wywierć otwór zatrzymujący o średnicy 3–4 mm, aby zapobiec dalszemu tworzeniu się pęknięcia pod wpływem ciepła. Jeśli pominiesz wiercenie zatrzymujące, pęknięcie będzie często sięgać 10–15 mm poza miejsce, które będzie widoczne podczas spawania.

Krok 4 — Rozgrzej część

Podgrzewanie wstępne zmniejsza szok termiczny i usuwa wilgoć. Użyj piekarnika, opalarki lub palnika na propan, aby podgrzać część do 150–230°C (300–450°F). Sprawdź temperaturę za pomocą termometru kontaktowego lub wskaźnika temperatury (Tempilstik). W przypadku cienkościennych odlewów o grubości poniżej 6 mm wystarczająca jest dolna granica tego zakresu (150°C). Grube części, takie jak bloki silnika, korzystają z wyższej półki. Nie przekraczać 260°C – powyżej tej temperatury niektóre stopy zaczynają trwale tracić wytrzymałość.

Wybór odpowiedniego procesu spawania

W przypadku zdecydowanej większości prac naprawczych — pękniętych kolektorów, połamanych wsporników, uszkodzonych odlewów — najlepszym wyborem jest spawanie TIG z użyciem prądu przemiennego. Ustaw maszynę na prąd przemienny z rozruchem z wysoką częstotliwością, użyj gazu osłonowego zawierającego 100% argonu przy przepływie 10–15 l/min i wybierz elektrodę wolframową z czystego wolframu lub wolframu cyrkonowego (nie typu torowanego stosowanego w przypadku stali).

Wybór prawidłowego drutu wypełniającego

Dwa stopy wypełniacza nadają się do większości zastosowań związanych z odlewaniem aluminium:

• ER4043 (4% krzemu) — najczęstszy wybór w przypadku odlewów aluminiowych. Dobrze się rozprowadza, minimalizuje pękanie i wybacza błędy. Użyj tego do elementów silnika, obudów i nieznanych stopów.
• ER5356 (5% magnezu) — mocniejsze i twardsze, ale bardziej podatne na pękanie na gorąco na odlewach o wysokiej zawartości krzemu. Stosuj, gdy priorytetem jest wytrzymałość po spawaniu i wiesz, że stop podstawowy jest kompatybilny (np. odlewy serii 535 lub 5xxx).

Średnica wypełniacza powinna generalnie odpowiadać grubości materiału: drut 1,6 mm dla odcinków o średnicy do 4 mm, 2,4 mm dla 4–8 mm i 3,2 mm dla cięższych profili.

Spawanie TIG Odlew aluminiowy: ustawienia i technika

Właściwe ustawienia są niezwykle istotne. Użyj ich jako punktu wyjścia i dostosuj do konkretnej maszyny i grubości materiału:

• Rodzaj prądu: AC (prąd przemienny)
• Natężenie: około 1 amper na 0,025 mm (0,001 cala) grubości — zatem odlew o grubości 6 mm potrzebuje w szczycie około 240 amperów
• Częstotliwość prądu przemiennego: 80–120 Hz (wyższa częstotliwość wytwarza węższy, bardziej skupiony łuk)
• Bilans AC: 65–70% elektrody ujemnej (EN) — oczyszcza tlenek bez przegrzania wolframu
• Gaz osłonowy: 100% argon, 10–15 l/min
• Wolfram: czysty (zielony) o średnicy 2–3 mm lub cyrkonowany, kulkowa końcówka w wersji AC

Utrzymuj stałą prędkość jazdy i poruszaj się wystarczająco szybko, aby uniknąć gromadzenia się ciepła w jednym miejscu. Zatrzymaj i poczekaj, aż część ostygnie z powrotem do temperatury wstępnej, jeśli zauważysz, że kałuża staje się powolna lub otaczający metal nadmiernie się odbarwia. Używaj ruchu tkackiego w przód i w tył na szerszych rowkach, zamiast układać wiele przejść w tej samej linii.

Obróbka po spawaniu

Po zakończeniu spawania nie wolno hartować części w wodzie ani gwałtownie chłodzić sprężonym powietrzem. Pozostawić do powolnego ostygnięcia w nieruchomym powietrzu lub owinąć kocami spawalniczymi, aby spowolnić tempo chłodzenia. Gwałtowne chłodzenie ponownie powoduje naprężenia termiczne i może spowodować pęknięcie spoiny lub sąsiadującego odlewu.

Po ochłodzeniu sprawdzić spoinę za pomocą penetranta barwnika (PT), aby sprawdzić, czy nie ma pęknięć powierzchniowych. W przypadku części przenoszących ciśnienie (kanały chłodzące, układy paliwowe) przed ponownym oddaniem części do użytku zaleca się wykonanie próby ciśnieniowej przy 1,5-krotności ciśnienia roboczego.

Jeśli odlew będzie poddawany obróbce po spawaniu, należy pozostawić go na 24 godziny, aby wszelkie naprężenia szczątkowe mogły się rozłożyć przed wykonaniem cięć wykończeniowych.

Typowe przyczyny uszkodzeń spoin odlewów aluminiowych

• Porowatość — prawie zawsze spowodowane wilgocią, zanieczyszczeniem lub niewystarczającym pokryciem gazowym. Upewnij się, że metal podstawowy jest całkowicie suchy, wyczyść drut elektrodowy acetonem i sprawdź, czy nie ma przeciągów zakłócających gaz osłonowy.
• Pękanie na gorąco — występuje, gdy jeziorko spawalnicze krzepnie pod wpływem naprężenia rozciągającego. Jeśli to możliwe, zmniejsz utwierdzenie części, użyj ER4043 (bardziej odporny na pękanie) i pozwól na wolniejsze chłodzenie.
• Brak fuzji — zwykle spowodowane niewystarczającą temperaturą lub nieusuniętą warstwą tlenku. Zwiększ nieznacznie natężenie prądu i ponownie wyczyść złącze.
• Przepalenie — najczęstszy problem na cienkich przekrojach poniżej 3 mm. Użyj podkładki (miedziana lub nierdzewna płyta mocująca za złączem rozprasza ciepło) i zmniejsz natężenie prądu.

Kiedy spawanie nie jest właściwą opcją

Niektóre odlewane stopy aluminium — szczególnie gatunki odlewane ciśnieniowo o wysokiej zawartości cynku, takie jak A380 — w zasadzie nie dają się spawać konwencjonalnymi środkami. Zawartość cynku powoduje poważne pękanie na gorąco i porowatość, niezależnie od techniki. W takich przypadkach należy rozważyć:

• Lutowanie lub lutowanie aluminium — do napraw kosmetycznych lub niskonaprężeniowych w temperaturach poniżej 450°C
• Szwy metalowe (lock-n-stitch) — technika naprawy na zimno wykorzystująca blokujące się metalowe kołki i zatyczki; nie wymaga ogrzewania, zachowuje oryginalne właściwości stopu
• Epoksydowe związki naprawcze — taki jak JB Weld KwikWeld lub Belzona 1111, odpowiedni do napraw niekonstrukcyjnych, gdzie ciśnienie i temperatura są niskie
• Odlew zastępczy — jeśli oryginalny odlew uległ poważnemu zniszczeniu lub naruszeniom strukturalnym