NEKE OD METODA ODSTRANJIVANJA OKSIDA I SPREAVANJA POROZNOSTI PRI ELEKTROLUNOM ZAVARIVANJU ALUMINIJUMA I NJEGOVIH LEGURA

SOME METHODS OF OXIDE REMOVING AND PREVENTION OF POROSITY AT ARC WELDING OF

ALLUMINIUM AND ITS ALLOYS

Mr Darko Baji,dipl.in.ma. Mainski fakultet Podgorica, darkoba@cg.ac.yu

REZIME

Oksid aluminijuma predstavlja osnovnu tekou pri elektrolunom zavarivanju aluminijuma i njegovih legura. Temperatura topljenja oksida aluminijuma je 2050C. Oksid aluminijuma se pojavljuje u obliku oksidne prevlake koja pokriva povrine stranica ljeba, i povrinu elektrodne ice.

Sprjeavanje poroznosti u metalu ava pri elektrolunom zavarivanju aluminijuma i njegovih legura predstavlja vrlo sloen tehnoloki zadatak.

U radu su date odreene metode za odstranjenje i spreavanje poroznosti pri elektrolunom zavarivanju aluminijuma i njegovih legura. Kljune rijei: Elektroluno zavarivanje, elektrini luk, oksidna prevlaka, poroznost, vodonik ABSTRACT

The oxide alluminium represents a basic difficulty which has to be overcame at arc welding of alluminium and its alloys. The temperature of alluminum oxide melting is 2050C. The particular difficulty is the fact that alluminium oxide appears in form of oxide coats which cover the surfaces of welded ends and surface of wire electrode.

The prevention of porosity in metal seam at arc welding of alluminium and its alloys represents a very complicated technological task.

There are given the certain methods in work for removing and and prevention of porosity at arc welding of alluminium at its alloys. Key words: Arc welding, electric arc, oxide facing, porosity, hydrogen UVOD

Dospijevi u metal ava, oksid aluminijuma smanjuje ispod dozvoljenih granica vrstou i ostale karakteristike, to znai da je kvalitet zavarenog spoja nedozvoljavajui. Sprjeavanje poroznosti, odnosno njeno dovoenje u dozvoljene granice, pri elektrolunom zavarivanju aluminijuma i njegovih legura je sloen tehnoloki zadatak. Poroznost metala ava iznad dozvoljenih granica dovodi, u prvom redu, do snienja opte korozione postojanosti i vrstoe zavarenih spojeva aluminijuma i njegovih legura.

Tema 2IZLAZ

ODSTRANJIVANJE OKSIDA SA POVRINE LJEBA I POVRINE ELEKTRODNIH ICA

U prirodnim uslovima proizvodnje i skladitenja, aluminijum i njegove legure se prevlae slojem oksida koji ih titi od korozije. Oiena povrina na vazduhu se odmah prevlai novim slojem oksida, ija se debljina obnavlja praktino za nekoliko dana, titei metal od dalje oksidacije. Prirodna zatitna prevlaka ima znatnu debljinu i njeno odstranjivanje u procesu zavarivanja je vrlo teko. Zbog toga, povrine ljeba i povrinu elektrodne ice treba istiti od sloja oksida neposredno prije zavarivanja, a ponovo nastali oksid u toku 816 asova je dovoljno tanak, i relativno se lako odstranjuje elektrinim lukom ili pomou topitelja za vrijeme zavarivanja.

Poto se u atmosferskim uslovima debljina obrazovane oksidne prevlake, premda sporo, ipak poveava, pripremljene dijelove za zavarivanje potrebno je zavariti u toku 24 asa, a elektrodnu icu upotrijebiti u toku 8 asova [1]. Razlika u vremenu dranja pripremljenih dijelova za zavarivanje i elektrodne ice je stoga to se stranice ljeba neposredno prije zavarivanja dopunski iste od oksidne prevlake mehanikim putem (etkom i aberom). Obrazovana tanka oksidna prevlaka poslije mehanikog ienja lako se odstranjuje elektrinim lukom u zatiti inertnih gasova. Vrlo efikasno se odstranjuje oksid sa povrine metala koji se nalazi na minus polu pri zavarivanju (struja indirektnog polariteta). Pozitivni joni inertnih gasova, koji su prisutni u elektrinom luku, ubrzavaju se katodnim naponom i udaraju u povrinski sloj oksidne prevlake. Proces obrade zavarivanog metala pozitivnim jonima, takozvano "katodno rasprivanje" jasno se moe vidjeti ispred rastopa, i u obliku svijetlih traka sa strana ava.

Pri elektrolunom runom zavarivanju obloenim elektrodama i automatskom elektrolunom zavarivanju pod prakom, rastopljeni aluminijum od okolne atmosfere tite topitelji od hlorida i fluorida bazinih i bazino-zemnih metala, koji se pod dejstvom luka rastapaju i energino reaguju sa oksidom aluminijuma, obrazujui sloena jedinjenja, koja prelaze u trosku. Primjenjivani topitelji, uglavnom, na sobnoj temperaturi izazivaju koroziju, pa zbog toga njihove ostatke treba temeljno odstraniti, trljajui oneiene dionice etkama u struji vrele vode ili pare. Ostaci topitelja se dobro odstranjuju potapanjem radnog komada u zagrijani rastop 5%-ne azotne kisjeline [2].

Poto je djelovanje ienja elektrinim lukom ogranieno dubinom njegovog prodiranja u metal koji se zavaruje, neophodno je da konstrukcija ljeba, tehnologija i reim zavarivanja obezbijede to dublju penetraciju luka u zavarivane dijelove. Dubina penetracije luka obino se regulie jainom struje zavarivanja.

Pri uobiajenim uslovima zavarivanja aluminijuma i njegovih legura, maksimalna struja zavarivanja, uglavnom, ne prelazi 550750 A. Poveanjem jaine struje zavarivanja iznad ovih kritinih vrijednosti naruava se proces formiranja ava, ija povrina postaje naborana, a dubina provarivanja, odnosno protapanja naglo se smanjuje. Uzroci te pojave nijesu u potpunosti nauno izueni, ali se sa sigurnou moe konstatovati da jaina kritine struje zavarivanja zavisi od kvaliteta zatite povrine rastopa inertnim gasom i njegovog sastava, kao i od sastava i debljine zavarivanih dijelova (osnovnog materijala).

Kao garancija uspjenog procesa zavarivanja sa maksimalnim jainama struje zavarivanja, jaina radne struje zavarivanja treba da bude manja od kritine za 2030 A. Ako je ta jaina struje zavarivanja nedovoljna za potpuno provarivanje zavarivanih

dijelova, onda treba zavarivanje izvoditi dvostrano kako bi suprotni zavari prekrivali prethodne zavare ava.

U sluaju kada je dvostrano zavarivanje neizvodljivo ili ekonomski neopravdano, izvodi se jednostrana priprema ljeba, i to tako da se omogui dublje prodiranje luka pri zavarivanju. Poto uronjeni elektrini luk u ljeb ne moe da ostrani oksidnu prevlaku sa svih povrina stranica ljeba, zavarivanje treba izvoditi u dva i vie prolaza. Prije izvoenja svakog zavara, potrebno je prethodno temeljno mehaniki odstraniti oksid aluminijuma sa povrine stranica ljeba i prethodno izvedenih zavara.

Posebno oteano odstranjivanje oksidnih prevlaka iz korijena ava pri jednostranom zavarivanju sueonih zavarenih spojeva u horizontalnom poloaju zahtijeva primjenu podloki, koje spreavaju curenje rastopljenog metala iz rastopa. Radi toga se koriste podloke od koroziono postojanih elika, bakra i drugih metala sa poveanom temperaturom topljenja, kao i podloke od zavarivane legure aluminijuma, koje ostaju po zavrenom zavarivanju (trajne podloke).

Da bi se dobilo normalno obrazovanje ava, podloka mora dobro da nalijee na donju povrinu zavarivanih krajeva. Zazor izmeu njih ne treba da prelazi 0,51mm. U takvim uslovima, snaan elektrini luk, koji je sposoban da oisti korijen ava od oksidne prevlake, neizbjeno e se dodirivati sa povrinom podloke. Pod dejstvom elektrinog luka, povrina podloke se otapa, a elementi iz njega oneiuju metal ava, pogoravajui eksploatacione osobine zavarenog spoja. Vjetakim hlaenjem podloka se titi od razaranja elektrinim lukom, ali se oteava potpuno odstranjivanje oksidne prevlake iz korijena zavarenog spoja, jer e pri vrstom nalijeganju zavarivanog metala na podloku temperatura dodirnih povrina praktino biti ista. U tim uslovima, za zagrijavanje donje (korijenske) strane spajanih povrina za temperature topljenja potreban je snaniji elektrini luk, koji poveava zapreminu metala rastopa i irinu ava. Osim toga, pri prodiranju takvog elektrinog luka na podloku naruava se stabilnost procesa zavarivanja. Povezano sa tim, za ostranjenje oksidne prevlake iz korijena sueonog spoja obino se upotrijebljava podloka sa kanalom koji je postavljen u osi korjenja ljeba. Kanal sprjeava odvoenje toplote iz stranica ljeba u podloku, i potpomae odvajanje oksidne prevlake zajedno sa metalom rastopa u nadvienje korjenog zavara ava, to je prikazano na slici1.

Vjerovatnoa potpunog odstranjenja oksidnih prevlaka sa povrina stranica ljeba poveava se sa poveanjem dubine kanala na podloci. U isto vrijeme, suvie dubok kanal zahtijeva dopunsko troenje elektrodne ice za njegovo popunjavanje, a prekomjerno visoko nadvienje korjenog zavara na suprotnoj strani ava pogoduje koncentraciji naprezanja u zoni stapanja. U praksi se, uglavnom, primjenjuju podloke sa dubinom kanala 1,22 mm [2].

Pri pravilno odabranom i stabilnom reimu zavarivanja dubina kanala na podloci prevazilazi vie od 1,5 puta debljinu zaostale oksidne prevlake ispod luka, i obezbijeuje njeno potpuno odstranjivanje u povrinski sloj nadvienja korjenog zavara ava. Kanal mora imati dovoljnu irinu kako bi obezbijedio normalno sabijanje oksidne prevlake na povrinu grla ljeba u uslovima mogueg pomjeranja zazora u procesu zavarivanja.

1

23

4 5

1

22

345 5

1

22

34 5

1

22

36 4

2

Slika 1. ema odstranjenja oksidnih prevlaka iz korijena ava pri izvoenju

jednostranih seeonih zavarenih spojeva sa kanalom na podloci [2]: 1- elektroda; 2- zavarivani metal; 3- rastropljeni metal (rastop); 4- oksidne prevlake na povrini spajanih krajeva; 5- podloka sa kanalom; 6- metal ava

U zavisnosti od debljine osnovnog materijala, postupka elektrolunog zavarivanja i uslova izrade konstrukcije, irina kanala u podloci iznosi 7090% od irine gornjeg nadvienja ava, ali ne ispod 56 mm.

Najee se koristi kanal pravougaonog oblika (sl.2a), koji obezbijeuje stabilne uslova za formiranje ava i odstranjenje oksidne prevlake pri znatnim pomjeranjima ose ljeba i elektrinog luka od ose kanala. Vrlo racionalan je kanal iji je popreni presjek prikazan na slici 2b. Zbog male irine, takav kanal zahtijeva primjenu opreme koja treba da obezbijedi odravanje ose ljeba u osi kanala podloke. Za odstranjenje oksidne prevlake u sueonim spojevima sa trajnom podlokom, koja je izraena kao cjelina sa zavarivanim radnim komadom, koriste se pravougaoni i nagnuti kanali (sl.2c), koji su vrlo jednostavni za izradu.

Slika 2. Oblik poprenog presjeka kanala u podloci koja oblikuje

suprotnu stranu korenog zavara sueonog spoja: a) pravougaoni b) kvadratni sa zaobljenim krajevima; c) kvadratni, zakoen

Potrebno je istai i to da su u proizvodnoj praksi nali primjenu razliiti procesi pripreme dijelova od aluminijuma i njegovih legura i elektrodne ice za zavarivanje. U nastavku se ukratko iznosi tehnoloki proces koji je naao vrlo iroku primjenu.

Prije svega, njihovu povrinu treba oistiti od masti za konzerviranje i drugih oneienja, trljajui je krpom natopljenom benzinom, piritusom i drugim organskim rastvarivaima.

U serijskoj proizvodnji, zavarivani dijelovi se obino odmauju u vodenom rastvoru koji sadri 510g/l NaOH, 4050g/l trinatrijumfosfata, 5g/l natrijumovog tenog stakla (Na2SiO3). Vrijeme trajanja procesa odmaivanja zavisi od stepena oneienja povrine metala i od temperature. Pri temperaturi rastvora 6070C vrijeme odmaivanja obino ne prelazi 35minuta. Nakon odmaivanja, zavarivani dijelovi i elektrodne ice se

a) b) c)

potapaju u 5%-ni vodeni rastvor NaOH ili KOH, zagrijan do temperature 6070C. Kao rezultat uzajamnog djelovanja sa bazom NaOH, odnosno KOH, oksidna prevlaka se nagriza, tj. skida sa povrine u trajanju 23minuta [3].

Ostaci baze i produkti reakcije se potom ispiraju sa povrine dijelova, i to prvo toplom, a potom hladnom vodom, trljajui ih istovremeno etkama. Odmah poslije ispiranja dijelovi se pasiviziraju u 20%-noj azotnoj kisjelini (HNO3), zagrijanoj do temperature 6070C. U vremenu 57 minuta, povrina dijelova u tom rastvoru se prekriva novim, guim slojem oksida aluminijuma [3].

Poslije vaenja iz rastvora azotne kisjeline, dijelovi se ispiraju hladnom, a potom toplom vodom i sue toplim vazduhom. SPRIJEAVANJE POROZNOSTI U METALU AVA

Kao glavni uzrok poroznosti metala ava je vodonik. Osnovni izvor vodonika je vlaga, apsorbovana pracima, odnosno topiteljima, obloenim elektrodama, povrinom osnovnog metala i elektrodne ice, a takoe i vlaga u ovlaenoj oksidnoj prevlaci, u vlanom zatitnom gasu i dr. Najopasniji izvori vlage su nedovoljno kvalitetan, vlaan zatitni gas i vlana oksidna skrama na povrini elektrodne ice.

Viak vodonika u metalu ava moe se objasniti njegovom poveanom rastvorljivou u tenom aluminijumu i naglim smanjenjem rastvorljivosti istog u ovrslom metalu ava. Najvea rastvorljivost vodonika u aluminijumu je na temperaturi ~2000C i iznosi 30 cm3 na 100 g metala. U ovrslom metalu rastvorljivost vodonika iznosi 0,016 cm3 na 100 g metala [4].

Obrazovanje mjehurova gasa mogue je u oblasti temperatura od 2000C do temperature kljuanja aluminijuma pri zagrijavanju i od 2000C do temperature topljenja u procesu hlaenja sve do momenta ovravanja metala ava.

U prvom sluaju, parogasni mjehurovi mogu se pojaviti na razliitim klicama (nemetalnim ukljucima) i u periodu pregrijavanja tenog metala porasti do velikih dimenzija prije hlaenja. Poroznost mogu inicirati, pored rastvorenih gasova, i lako isparavajue primjese (cink, magnezijum).

U drugom sluaju, u periodu hlaenja i kristalizacije metala, dolazi prvenstveno do obrazovanja rasijane poroznosti usled nagle promjene rastvorljivosti vodonika pri ovravanju metala. Pri koncentrisanoj poroznosti po ivicama ava, smanjuju se karakteristike savijanja zavarenog spoja.

Poroznost metala ava do 0,25% (zapreminski) praktino ne utie na statiku vrstou. Smanjenje vrstoe zapaa se pri poroznosti iznad 0,5% (zapreminski) [2].

Uticaj poroznosti na mehanike osobine tehnikog aluminijuma dolazi manje do izraaja nego na osobine legura aluminijuma. Sa poveanjem vrstoe legure negativan uticaj poroznosti se pojaava. Poveana poroznost metala ava moe smanjiti optu korozionu postojanost zavarenog spoja i pogodovati razvijanju korozije u obliku razliito rasporeenih korozionih "mrlja".

Postoji niz preporuka tehnolokog i metalurkog karaktera za smanjenje poroznosti metala ava. U nastavku e se ukratko iznijeti odreene preporuke koje su vrlo bitne pri elektrolunom zavarivanju aluminijuma i njegovih legura.

Tehnoloke mjere svode se, uglavnom, na sprjeavanje dospijevanja vlage u rastop. Potrebno je temeljno odstraniti oksidnu prevlaku sa povrine elektrodne ice i stranica ljeba i okoline osnovnog metala. esto se za obradu elektrodne ice poslije nagrizanja preporuuje elektrohemijsko poliranje, naroito ako se radi o legurama koje sadre magnezijum.

Preporuuje se sljedei sastav elektrolita: 700 ml (H3PO4) + 300 ml (H2SO4) + 42g (CrO3). Temperatura elektrolita 95100C [1].

Potrebno je teiti relativnom smanjenju povrine elektrodne ice, tj. primjenjivati icu to je mogue veeg prenika, a pri upotrebi malog prenika primjenjivati zavarivanje sa pulsirajuim prenosom dodatnog metala.

Za dovoenje zatitnog gasa od boce do pitolja za zavarivanje preporuuje se upotreba cijevi od koroziono postojanih elika, umjesto gumenih, jer pri poveanju temperature okoline apsorbovana vlaga se lake odvaja sa unutranje povrine gumenih cijevi i dospijeva sa argonom u zonu zavarivanja, a time i u rastop. Potrebno je periodino oistiti mlaznicu zatitnog gasa od kondenzata i nabrizganih estica.

Jedan od naina umanjenja poroznosti u metalu ava jeste i primjena gasne smjee argona i helijuma (5075% zapreminski).

Metalurke mjere za eliminisanje, odnosno smanjenja poroznosti u metalu ava zasnovane su, uglavnom, na ograniavanju proticanja reakcija uzajamnog djelovanja rastopa sa vlagom, poveanjem brzine zavarivanja ili stvaranjem uslova za potpunije izdvajanje vodonika poveanjem vremena ovravanja rastopa. Ponekad se za umanjenje poroznosti primjenjuje predgrijavanje zavarivanih dijelova, ime se poveava vrijeme ovravanja rastopa. Za smanjenje apsorbovane vlage na povrini debelih limova (20 mm), neophodno je malo predgrijavanje osnovnog materijala (4060C) pre poetka zavarivanja.

Sa sigurnou se moe konstatovati da se poveana poroznost u metalu ava javlja, u prvom redu, zbog loe pripreme povrina ljeba i elektrodne ice, ili odstupanja od optimalno zadatih parametara reima zavarivanja. Najee su u kombinaciji oba pomenuta uzroka nastanka poroznosti u metalu ava. LITERATURA [1] ..: , .: , 1960.

[2] .. .: , .: , 1982.

[3] .. .: , , 1967.

[4] ..: , .: , 1972.