Výběr vhodného typu vysokoteplotních čelistí

V místě, kde vysokoteplotní čelisti upínají vzorek, dochází k vedení tepla, které snižuje teplotu v daném místě. Čelisti jsou navíc chlazeny vodou, což přispívá k intenzivnímu odvodu tepla. Výsledný teplotní gradient ovlivňuje zejména tvar vysokoteplotních čelis-tí, jejich materiál a volná délka mezi čelistmi. Podle tvaru rozdělujeme čelisti na čelisti s plným kontaktem a čelisti s částečným kontaktem. [10]

27

Při simulaci difúzního svařování jsou využity měděné čelistí s plným kontaktem. Díky vysoké tepelné vodivosti mědi a úplnému kontaktu čelistí se vzorkem dosáhneme poža-dovaného teplotního gradientu.

V praxi se nejčastěji setkáváme s měděnými čelistmi (Cu 99%) a s čelistmi z austenitic-ké vysokolegované oceli (X5CrNi18-8). Tyto materiály se velmi liší tepelnou vodivostí, proto lze pomocí nich dosáhnout různých teplotních gradientů. Na obr. 2.12. a 2.13.

jsou ukázány rozdílné teplotní gradienty podle použitých čelistí, pro volnou délku vzor-ku 30 mm. [10]

Obr. 2.12 Rozdílné teplotní gradienty měděných čelistí podle použitého typu čelistí a materiálu vzorku [10]

Obr. 2.13 Rozdílné teplotní gradienty ocelových čelistí podle použitého typu čelistí a materiálu vzorku [10]

28 2.3 Hliník a jeho slitiny

Podle posledních měření se zastoupení hliníku v zemské kůře pohybuje mezi 7,5-8,3%.

Patří mezi třetí nejvíce zastoupený prvek v zemské kůře hned po kyslíku a křemíku. v Austrálii, Guinei, Jamajce, Brazílii a Číně. [14,15]

Hliník je kov šedé barvy, který se vyznačuje kombinací vlastností (tab. 2.5), které se uplatňují v širokém spektru průmyslu. Krystalizuje v kubické plošně centrované sou-stavě, čehož důsledkem jsou dobré plastické vlastnosti za tepla i za studena pro čistý kov i slitiny. Měrná hmotnost Al se pohybuje kolem 2700 kg.m^-3, což ho řadí mezi leh-ké kovy. Jeho teplota tání činí přibližně 660°C. Vyznačuje se vynikající tepelnou a elek-trickou vodivostí. Rozdělení hliníkových slitin je popsáno v následujících kapitolách.

[16]

Tab. 2.5. Vybrané fyzikální vlastnosti hliníku [13,16]

Vlastnost Hodnota

V technické praxi využíváme spíše slitiny hliníku, které se vyznačují lepšími mechanic-kými vlastnostmi než samotný čistý kov. Tyto slitiny obsahují přísadové prvky, které mají významný vliv na výsledné materiálové vlastnosti. Mezi nejdůležitější přísadové prvky řadíme Cu, Mg, Zn, Si a Mn. Ve výrobě se používá pouze několik základních typů slitin hliníku, i když bylo vyvinuto a zkoušeno velké množství slitin. Na obr. 2.14

29

je ukázáno základní rozdělení slitin hliníku a jejich využití pro tváření, slévání, či jejich vhodnost k tepelnému zpracování. [16]

Obr. 2.14 Obecný rovnovážný binární diagram slitiny hliníku [17]

Podle využití jsou hliníkové slitiny rozděleny na:

 slévárenské slitiny

 slitiny určené k tváření

Podle možnosti tepelného vytvrzování jsou hliníkové slitiny rozděleny na:

 vytvrditelné slitiny

 nevytvrditelné slitiny

2.3.2 Slitiny hliníku určené k tváření

Slitiny hliníku jsou označovány podle ČSN EN 573-1 až 3. Tato norma se používá pro výrobky a ingoty určené pro tváření. Jednotlivé materiály jsou označovány písmeny EN AW (EN – Evropská norma, A – hliník, W – tvářený) a čtyřmi číslicemi. Podle prv-ního čísla z daného čtyřčíslí lze určit hlavní slitinové prvky materiálu viz tab. 2.6. [16]

30 Tab. 2.6. Slitiny hliníku určené k tváření [16]

Označení slitin hliníku určených k tváření podle ČSN EN 573-1 až 3 Skupina Hlavní slitinové prvky Chemická značka

1000 Hliník min. 99% a více Al

Poslední dvojčíslí ve skupině 1xxx udává procentuální obsah hliníku. Číslice na druhém místě první skupiny udává změnu mezního obsahu doprovodných nebo slitinových prv-ků. Poslední dvě číslice ve skupinách 2xxx až 8xxx označují různé hliníkové slitiny ve skupině. Číslice na druhé pozici udává modifikaci slitiny. [18]

2.3.2.1 Hliníkové slitiny řady 6000

Z hlediska tepelného zpracování hraje u hliníkových slitin řady 6000 velmi důležitou roli intermetalická fáze Mg₂Si. Chování těchto slitin připomíná samokalitelné oceli, které se vyznačují vyššími pevnostními charakteristikami. Slitiny, které obsahují hořčík, se vyznačují velmi dobrou tvářitelností (schopnosti k plastické deformaci). Nejpoužíva-nější slitiny hliníku řady 6000 jsou uvedeny v tab. 2.7. [16]

Tab. 2.7. Vybrané hliníkové slitiny řady 6000 [16]

Hliníkové slitiny řady 6000

Označení slitin podle ČSN EN 573 - 3 Označení slitin dle ČSN Číselné označení Chemické značení Číselné označení Chemické značení

EN AW – 6012 EN AW - AlMgSiPb - -

31

V této bakalářské práci byla k experimentům použita slitina hliníku EN AW 6082, a proto budou v následujících odstavcích popsány její základní vlastnosti a možnosti jejího využití.

2.3.2.2 Vlastnosti hliníkové slitiny EN AW – 6082

Hliníkové slitiny EN AW – 6082 se řadí mezi středně pevné slitiny, které se využívají pro náročné konstrukce. Typickými aplikacemi této slitiny jsou např. prvky lešení, díly železničních vagónů, konstrukční prvky na moři, kontejnery, mosty a jeřáby. Díky zrni-té struktuře slitiny vykazuje vysokou odolnost proti dynamickému namáhání. Slitina AW 6082 se vyznačuje vysokou odolností vůči korozi, chemickou stálostí a je také cer-tifikována pro použití v námořních aplikacích. Podrobnější chemické složení slitiny je uvedeno v tabulce 2.8. [19]

Tab. 2.8. Chemické složení slitiny EN AW - 6082[19]

Chemické složení EN AW – 6082 dle normy EN573-3 (%)

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti ostatní

prvky 0.7-1.3 max 0.5 max 0.1 0.4-1.0 0.6-1.2 max

0.25 max 0.2 max 0.1 max 0.15

Mechanické vlastnosti jednotlivých slitin se odvíjejí od jejich přesného chemického složení, technologických parametrů tváření a zejména od jejich tepelného zpracování.

Od slitin EN AW – 6082 se prioritně požaduje dobrá schopnost pro tváření jak za tepla, tak i za studena. Orientační mechanické vlastnosti hliníkové slitiny EN AW 6082 jsou shrnuty v následující tabulce 2.9. [13,19]

Tab. 2.9. Mechanické vlastnosti EN AW - 6082 [19]

Orientační mechanické vlastnosti materiálu EN AW – 6082

Chemické složení Stav materiálu

32 2.3.3 Problematika svařování hliníkových slitin

Specifické vlastnosti hliníku a hliníkových slitin velice ovlivňují svařitelnost hliníku.

Mezi tyto vlastnosti řadíme především značnou tepelnou vodivost a roztažnost, ale také vysokou afinitu ke kyslíku. Při tavném svařování dochází k problémům, jako je přítom-nost trhlin ve svaru nebo pórovitost svarového spoje. Při difúzním svařování nedochází k natavení základního materiálu, a proto je možné se uvedeným obtížím částečně vy-hnout. [20]

Mezi nejdůležitější problémy při difúzním svařování hliníku a jeho slitin patří:

 přítomnost oxidické vrstvy Al2O3

 pokles pevnosti ve svaru [20]

2.3.3.1 Přítomnost oxidické vrstvy Al2O3

Jeden z největších problémů při svařování hliníku je bezesporu povrchová vrstva oxidu (Al₂O₃), která vzniká díky vysoké afinitě hliníku ke kyslíku. Tloušťka této vrstvy dosa-huje asi 0,01 µm a chrání materiál před korozí. Měrná hmotnost této vrstvy dosadosa-huje až 3960 kg.m^-3, vyznačuje se vysokou přilnavostí a je elektricky nevodivá. Při svařování je tato vrstva nežádoucí, protože zabraňuje bezproblémovému spojení dvou materiálů.

Vzhledem k této problematice musí být tato vrstva před samotným procesem svařování odstraněna. V praxi se tato vrstva nejčastěji odstraňuje chemicky nebo mechanicky.

Chemické čištění probíhá pomocí mořící nebo oplachovací lázně před svařováním. Pří-kladem mořící lázně může být roztok složený z hydroxidu sodného rozpuštěného ve vodě s přídavkem chloridu sodného. Další způsob odstranění povrchové vrstvy je ručním nebo strojním kartáčem. Svařování by mělo začít co nejdříve po mechanickém očištění vrstvy, protože oxidická vrstva se obnovuje velice rychle. [21]

2.3.3.2 Pokles pevnosti ve svaru

Během procesu svařování se u vytvrditelných slitin setkáváme s nežádoucím jevem po-klesu pevnosti ve svaru. Po dosažení teploty nad 200°C dochází k rozpuštění vytvrzova-cí fáze, což má za následek velký pokles pevnosti v tepelně ovlivněné oblasti.

U hliníkových materiálů řady 6000 dochází k velkému poklesu pevnosti nad teplotou 200°C. Po určité době setrvání nad touto teplotou je materiál odpevněn. K opětovnému získání vyšších pevnostních charakteristik přispívá tepelné zpracování celé sestavy.

33

Významný pokles pevnosti lze snížit pomocí svařovacích metod s vysokým gradientem teplot v místě svaru. Difúzní svařování je velice výhodná metoda svařování, kdy při správné volbě počátečních parametrů je možné dosáhnout požadované pevnosti sva-rového spoje. [22]

2.3.4 Rešerše v oblasti difúzního svařování hliníkových slitin

V rámci teoretické části byla provedena rešerše současného stavu řešení v oblasti difúz-ního svařování vytvrditelných Al slitin. Podařilo se získat a prostudovat dva příspěvky zabývající se touto problematikou. Německý fyzik Dennis D. Dietrich se zabývá svařo-váním hliníkové slitiny AW 6082. Je autorem článku s názvem Formation of intermetal-lic phases in difussion-welded joints of aluminium and magnesium alloys. Článek je zaměřen na heterogenní spojení hliníkové slitiny AW 6082 a hořčíkové slitiny AZ31.

Podle autora by měly být povrchy zbroušeny na hodnoty Ra=0,2 µm (hliníková slitina) a Ra=0,3 µm (hořčíková slitina). Povrch obou slitin byl opláchnut etanolem. Svařovací teplota se pohybuje mírně pod eutektickou teplotou 430°C a svařovací čas je od 15 do 120 min. Svařovací tlak začíná na 11 MPa a postupně se snižuje až na hodnotu 3 MPa, což podle autora zabraňuje plastické deformaci základních materiálů. [23]

Další výzkum byl proveden pro difúzní svařování hliníkové slitiny AW 7075. Pokusy byly provedeny s použitím přístroje Gleeble 1500. Zkušební tyče byly vloženy do vaku-ové komory a postupně zahřívány až na teplotu kolem 490°C. Experimenty probíhaly při svařovacím tlaku od 1 MPa do 5,7 MPa. V rámci těchto experimentů se svařovací čas pohyboval mezi 30 až 360 min. Některé kombinace teploty, tlaku a času vedly k nestabilitě vzorku kvůli superplastickému stavu slitiny. [24]

Uvedené poznatky pomohou při návrhu základních parametrů difúzního svařování hli-níkové slitiny AW 6082 a budou použity dále v praktické části bakalářské práce.

34

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

Cílem experimentální části bylo navržení a realizace homogenního svaru slitiny hliníku AW 6082 a dosažení vhodných mechanických vlastností spoje. Základní parametry di-fúzního svařovaní (teplota, tlak, čas) byly navrženy na základě vyhotovené rešerše a podle výsledků zkoušky tahem, případně zkoušky tvrdosti, byly základní parametry dále optimalizovány (kap. 3.5). Při difúzním svařování dochází u vytvrditelných slitin hliníku k „odpevnění“ (kap. 2.3.3.2), které se vyskytuje při překročení teploty 200°C.

Tím dochází k poklesu mechanických vlastností v okolí svarového spoje. Tato skuteč-nost hraje významnou roli při navrhování požadované teploty a časové výdrže na dané teplotě. Vliv difúzního svařování na materiál AW 6082 byl experimentálně testován pomocí zkoušky tahem a zkoušky tvrdosti dle ČSN EN ISO 9015-1 (kap. 3.7). I při na-lezení optimálních parametrů svařování došlo k významnému poklesu mechanických vlastností a to zejména pevnosti. K částečnému obnovení mechanických vlastností při-spělo tepelné zpracování slitiny hliníku (kap. 3.8). V experimentální části je popsán vliv vybraných technologií tepelného zpracování na materiál AW 6082, podrobený difúzní-mu svařování, ale také rozpouštěcídifúzní-mu žíhání a umělédifúzní-mu a přirozenédifúzní-mu stárnutí.

3.1 Realizace homogenního difúzního svaru hliníkové slitiny AW 6082 Při návrhu počátečních parametrů musí být počítáno s vysokým teplotním koeficientem délkové roztažnosti, který způsobuje při svařování značné deformace, které velice ovlivňují jakost svarového spoje. Hliníkové slitiny mají rovněž velkou tepelnou vodi-vost, která vyžaduje využití vyšších tepelných příkonů při samotném procesu svařování.

Jak se prokázalo z uskutečněných experimentů, tak velký vliv na výsledné spojení vzor-ků má odstranění oxidické vrstvy Al2O3 (kap. 2.3.3.1), která značně ovlivňuje rychlost difúzního spojování. Dále bylo zjištěno, že významný podíl na výsledné mechanické vlastnosti svaru má prostředí, ve kterém se svařování uskutečňuje. Difúzní svařování v ochranném prostředí je využíváno zejména díky ochraně vzorků před vysokoteplotní oxidací.

3.1.1 Základní parametry vzorků

Pro experimenty byly zvoleny hliníkové vzorky ze slitiny AW 6082. Tato slitina se po-užívá jako konstrukční materiál pro středně namáhané konstrukce. Zpevňování probíhá pomocí tváření za studena nebo tepelným zpracováním. Slitina vyniká chemickou stá-lostí a velmi dobrou odolností vůči korozi. Podrobnější popis materiálu je uveden

35

v kap. 2.3.2.2. Byly použity válcové vzorky o délce l=50 mm a průměru d=10 mm. Čela válcových vzorků byly obrobeny pomocí jemného soustružení na hodnotu drsnosti R_a=1,6 µm.

3.1.2 Příprava svarových ploch

Jak je uvedeno v předchozích kapitolách (kap. 2.3.3.1) hliník patří mezi velmi reaktivní kovy. Na vzduchu vzniká takřka okamžitě tenká vrstva Al₂O₃, která chrání tento kov před další oxidací. Před samotným procesem svařování musí být tato vrstva odstraněna a svařování musí být započato co nejdříve.

Na základě dostupných informací byly dosedací plochy obou testovacích vzorků při prvním experimentu očištěny pomocí brusného papíru, který sloužil k odstranění tenké vrstvy oxidů. Po mechanickém očištění přišlo na řadu navaření řídícího termo-článků typu K (kap. 2.2.2) pomocí kondenzátorové svářečky. Termočlánek slouží ke kontrole teploty spojovaných vzorků po celou dobu simulace a je umístěn pouze na jednom vzorku. Jednotlivé části termočlánku byly přivařeny ke vzorku při napětí 31 V. Z důvodu výskytu teplotního gradientu musí být termočlánek umístěn co možná nejblíže místu styku (obr. 3.1). K odizolování dvou vodivých částí termočlánku byly použity keramické chráničky.

Obr. 3.1 Přivařený termočlánek typu K na povrchu vzorku

36 3.1.3 Samotná realizace experimentu

Po optické kontrole termočlánku byly oba válcové vzorky upnuty do vysokoteplotních měděných čelistí s plným kontaktem (obr. 3.2). Měděné čelisti umožňují využití strměj-šího teplotního gradientu, který má za následek menší TOO výsledného spoje.

Obr. 3.2 Detailní zobrazení vysokoteplotních měděných čelistí s plným kontaktem Po vložení čelistí spolu se vzorky do upínacího zařízení je nutností využití rozpěrných šroubů, které zamezují posunutí vzorků v průběhu simulace. Upnutý vzorek je zobrazen na obr. 3.3.

Obr. 3.3 Upnutí vzorku ve vysokoteplotních čelistech ve vakuové komoře

37

Po utažení šroubů byly vzorky horizontálně přiblíženy k sobě natolik, aby se čela vzor-ků navzájem dotýkala. Poté byly uzavřeny dveře od vakuové komory a následně došlo k odčerpání vzduchu z komory. Hodnota vakua dosahovala 4.10^-2 Pa.

Procesní parametry pro první fázi testování byly zvoleny na základě údajů zjištěných při rešerši v kapitole 2.3.4. Pracovní teplota byla zvolena 430°C, síla při expoziční tep-lotě 392 N a svařovací čas 40 minut.

V programu byla při teplotě 20°C nejprve zvolena nulová přítlačná síla, která zajišťuje správný náběh systému. Poté došlo k navýšení přítlačné síly na hodnotu 628 N, z důvo-du zachování dostatečného přítlaku při přechodůvo-du odporového proudůvo-du přes rozhraní sou-částí. Následoval ohřev vzorku na teplotu 430°C rychlostí 2°C.s^-1 při současném postupném snižování přítlačné síly na hodnotu 392 N. Při ohřevu vzorku dochází k posouvání upínacích čelistí v závislosti na tepelné roztažnosti vzorku tak, aby nebylo do vzorku vneseno žádné vnitřní pnutí, případně plastické deformace. Působí tak pouze předdefinovaná přítlačná síla. Po dosažení pracovní teploty 430°C již následovala výdrž na expoziční teplotě po zvolenou dobu svařování. Po uplynutí stanoveného času byly vzorky ochlazeny na teplotu okolí opět rychlostí 2°C.s^-1. Pří difúzním svařování hliní-kových slitin je důležité sledovat také výkon ohřevového transformátoru, který je pod-statně vyšší, než u jiných materiálů z důvodu vysoké tepelné vodivosti hliníku.

Po ukončení prvního testu nedošlo k dostatečnému spojení vzorků. Mechanické očištění brusným papírem se jevilo jako nedostatečné. Povrch stykových ploch mohl být konta-minován zrny z brusného papíru. Z rešeršní části vyplývá, že difúzní procesy probíhají lépe za vyšších teplot, proto byla simulace zopakována pro teploty 480°C při tlaku 7 MPa a 530°C při tlaku 4 MPa. Výsledné svarové spoje přesto vykazovaly zanedbatel-nou pevnost v tahu, což pravděpodobně poukazovalo na nedostatečné odstranění oxi-dické vrstvy ze styčných ploch obou vzorků. Významnou roli při difúzním svařování hraje ochranný plyn, který velice souvisí s výslednou jakostí svarového spoje. Pro ná-sledující experiment byl jako ochranný plyn zvolen argon.

3.2 Realizace difúzních svarů s naleptaným povrchem stykových ploch Při neúspěšném pokusu o difúzní spoj uvedeném v předchozí kapitole byla prostudová-na literatura o chemickém odstranění vrstvy Al2O3. Byl nalezen postup pomocí 40% kyseliny fluorovodíkové, která byla naředěna destilovanou vodou v poměru 1:200.

38

Tento postup byl konzultován s odbornými pracovníky zabývající se chemií na Tech-nické univerzitě v Liberci.

HF se řadí mezi bezkyslíkaté kyseliny. Jedná se o plynný roztok fluorovodíku ve vodě.

Silnější kyseliny s koncentrací nad 70% jsou používány k leptání skla. U železných ma-teriálů způsobuje HF korozi. Díky svému složení nemůže být skladována ve skleněných nádobách, ale v nádobách z polyetylenu (obr. 3.4). [26]

Obr. 3.4 Skladování kyseliny fluorovodíkové v polyetylenové nádobě [25]

Při práci s HF je důležité dodržování pracovních předpisů a bezpečnostních opatření.

Nutností při práci s touto kyselinou jsou ochranné pomůcky. Pokusy musí být provádě-ny v dobře větraných místnostech, protože výpary mohou způsobit poškození sliznic, případně vnitřních orgánů.[26] Při našich experimentech nebyla využívána kyselina s vysokou koncentrací, proto probíhala práce pouze s gumovými rukavicemi v dobře odvětrávané místnosti.

Vzorky hliníkové slitiny AW 6082 byly ponořeny do zředěné kyseliny fluorovodíkové, kde setrvaly přibližně 10 sekund. Poté byl vzorek opláchnut pomocí destilované vody a řádně usušen. Tento proces byl minimálně třikrát zopakován, dokud nebyla vrstva Al₂O₃ viditelně odstraněna. Postup byl aplikován na oba svařované vzorky. Po naleptání přišlo na řadu přivařování termočlánků a samotné upnutí do vysokoteplotních čelistí.

Při těchto experimentech byl použit ochranný inertní plyn argon, který díky svým vlast-nostem tvoří ochrannou atmosféru proti vysokoteplotní oxidaci a tím je zabráněno vzni-ku oxidů a nitridů, které mají za následek zhoršení mechanických vlastností výsledného svaru. Nejprve došlo k odčerpání vzduchu z vakuové komory a poté mohla být komora naplněna argonem. Tento postup byl třikrát zopakován a nakonec v pracovní komoře

39

zůstal mírný podtlak, aby nemohlo dojít k přisávání vzduchu z okolí a zbytky atmosféry v pracovní komoře se již týkaly pouze argonu. Pro svařování byly použity parametry uvedené v tab. 3.1.

Tab. 3.1. Program použitý pro druhý experiment

Vzorek Přítlačná síla Teplota Čas Atmosféra

[N] [°C] [min]

T530_f314_t40_ar 314 530 40 argon

Vzorky byly podrobeny difúznímu procesu, který se skládal z ohřevu na 530°C a ná-sledné výdrži na této teplotě po dobu 40 min. Ohřev a ochlazení proběhlo rychlostí 2°C.s^-1 stejně jako u předchozího experimentu ve vakuu. Tlak ve stykové ploše materiá-lu byl zvolen konstantní o velikosti 4 MPa. Za těchto podmínek vzorek vykazoval pou-ze minimální deformace. Závislost deformace na čase jsou uvedeny v Přílopou-ze 1. Výkon transformátoru v ochranném prostředí argonu se snížil na 52% (obr. 3.5). Snížení výko-nu však bylo pravděpodobně způsobeno dokonalejším odstraněním oxidické vrstvy po-mocí HF.

Deformace vzorku ve výsledném svarovém spojení (obr. 3.6) v ochranném prostředí argonu nepřesáhla 1 mm (Příloha 1). Po dokončení simulace byl proces zopakován za stejných podmínek, pouze se změnou výdrže na teplotě 530°C, která se zvýšila na 80 minut (Příloha 2). Difúzní spoje byly následně podrobeny statické zkoušce tahem.

Z naměřených hodnot je patrné, že pevnost v tahu se zvýšila pouze nepatrně. Výsledná pevnost v tahu tak nedosahuje ani 30% pevnosti základního materiálu, což bylo vyhod-noceno jako nedostačující. Naměřené hodnoty z mechanických zkoušek jsou podrobněji uvedeny v kapitole 3.6.

40

Obr. 3.5 Křivka aktuálního výkonu při ohřevu na požadovanou teplotu vzorku

Obr. 3.5 Křivka aktuálního výkonu při ohřevu na požadovanou teplotu vzorku