Poděkování
Tímto chci poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Jaromíru Moravcovi, Ph.D.
za jeho odbornou pomoc, vstřícnost a množství cenných rad a připomínek, které mi poskytl při řešení této práce. Děkuji pracovníkům strojírenské technologie za pomoc při realizaci experimentů.
Abstrakt
Bakalářská práce se zabývá vlivem difúzního svařování na vytvrditelnou slitinu hliníku AW 6082. Hliníkové slitiny jsou všeobecně velmi často využívány jako konstrukční materiál. Hlavním důvodem je především jejich měrná hmotnost, dostupnost, dobré mechanické vlastnosti a odolnost vůči korozi.
Práce je rozdělena na teoretickou a praktickou část. V teoretické části je popsán proces difúzního svařování se základními parametry difúze. Dále je zde popsán teplotně- napěťový simulátor Gleeble 3500 a v závěru jsou uvedeny základní informace o testo- vané slitině hliníku AW 6082.
Cílem experimentální části bylo naleznutí vhodných svařovacích parametrů pro vytvrdi- telnou hliníkovou slitinu AW 6082 a následné zjištění vlivu difúzního svařování na me- chanické vlastnosti v tepelně ovlivněnou oblast. Závěr bakalářské práce se zabývá pokusem o obnovení mechanických vlastností, které byly sníženy vlivem vysokých tep- lot při svařování v tepelně ovlivněné oblasti.
Klíčová slova
slitina AW 6082, difúzní svařování, tepelně ovlivněná oblast, Gleeble 3500
Abstract
The presented bachelor´s thesis deals with the influence of difussion bonding on heat- treatable aluminium alloy AW 6082. In general the aluminium alloys are often used as a construction material. The main reason is especially density, availability, good me- chanical properties and corrosion resistance.
The study is divided into the theoretical part and experimental part. In the theoretical part is desribed difussion bonding process with basic parameters of difussion. Next there is desribed thermal-mechanical simulator Gleeble 3500 and in the end there are given basic informations about tested aluminium alloys AW 6082.
The object of experimental part was found suitable bonding parameters for heat- treatable aluminium alloy AW 6082 and subsequent discovery of the influence difussion bonding to mechanical properties in the heat affected zone. Conclusion of bachelor´s thesis deals with try to restore mechanical properties, which were reduced because of high temperatures in the heat affected zone during bonding.
Key words
alloy AW 6082, difussion bonding, heat affected zone, Gleeble 3500
8
Obsah
SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK ... 10
1 ÚVOD ... 11
2 TEORETICKÁ ČÁST... 12
2.1 Difúzní svařování... 12
2.1.1 Definice difúzního svařování ... 12
2.1.2 Difúze... 13
2.1.3 Stádia difúzního svařování ... 16
2.1.4 Hlavní parametry ovlivňující difúzní svařování... 17
2.1.5 Další parametry ovlivňující difúzní svařování ... 20
2.1.6 Využití v praxi, výhody a nevýhody difúzního svařování ... 22
2.2 Teplotně-napěťový simulátor Gleeble 3500 ... 23
2.2.1 Systém Gleeble 3500 ... 23
2.2.2 Komponenty a součásti systému Gleeble 3500 ... 24
2.2.3 Teplotní gradient ... 26
2.2.4 Výběr vhodného typu vysokoteplotních čelistí ... 26
2.3 Hliník a jeho slitiny ... 28
2.3.1 Základní dělení slitin hliníku ... 28
2.3.2 Slitiny hliníku určené k tváření ... 29
2.3.3 Problematika svařování hliníkových slitin ... 32
2.3.4 Rešerše v oblasti difúzního svařování hliníkových slitin ... 33
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... 34
3.1 Realizace homogenního difúzního svaru hliníkové slitiny AW 6082 ... 34
3.1.1 Základní parametry vzorků ... 34
3.1.2 Příprava svarových ploch ... 35
3.1.3 Samotná realizace experimentu ... 36
3.2 Realizace difúzních svarů s naleptaným povrchem stykových ploch ... 37
3.3 Realizace difúzních svarů ve vakuovém prostředí ... 40
3.4 Realizace difúzních svarů za vyšších teplot... 42
3.5 Optimalizace základních parametrů ... 43
3.6 Souhrnné zhodnocení výsledků experimentů... 45
3.7 Vliv difúzního svařování na tvrdost v TOO ... 48
3.7.1 Postup pro měření pevnosti svarového spoje ... 48
3.7.2 Vyhodnocení výsledků tvrdosti ... 50
3.8 Vliv tepelného zpracování na změnu mechanických vlastností ... 51
9
3.8.1 Výběr vhodné technologie tepelného zpracování ... 51
3.8.2 Aplikace tepelného zpracování na výsledný difúzní spoj ... 52
3.8.3 Srovnání mechanických vlastností po tepelném zpracování ... 53
4 ZÁVĚR ... 54
5 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 55
SEZNAM PŘÍLOH ... 57
10
Seznam symbolů a zkratek
Al2O3 Oxid hlinitý
USA Spojené státy americké AW 6082 Vytvrditelná slitina hliníku ČSN Česká státní norma
EN Evropská norma
HV 5 Tvrdost dle Vickerse Mg2Si Intermetalická fáze
Rp0,2 Smluvní mez kluzu [MPa]
Rm Mez pevnosti [MPa]
ISO International Organization for standartization TOO Tepelně ovlivněná oblast
AlSi1MgMn Označení slitiny hliníku HF Kyselina fluorovodíková Q Chemický potenciál [J.mol-1] D Koeficient difúze [cm2.s-1]
JA Difúzní tok atomů prvku A [kg.m2.s-1]
11
1 ÚVOD
V dnešní moderní době je kladena velká pozornost na snížení hmotnosti konstrukcí ve strojírenské oblasti. To mělo v průběhu 20. století za následek nárůst spotřeby hliní- ku a hliníkových slitin. Hliník a jeho slitiny nabízejí nízkou hmotnost při zachování dobrých mechanických vlastností, a podle dalších prognóz a studií by měla spotřeba hliníku a jeho slitin nadále narůstat. Díky ekologickým normám se hliníkové materiály stále častěji využívají v automobilovém a leteckém průmyslu za účelem již zmíněné redukce hmotnosti konstrukce, která vede ke snížení spotřeby energií. Inženýři využíva- jí tyto slitiny jako vhodnou alternativu za běžnou konstrukční ocel. [1]
S nárůstem využití hliníku přišly i problémy v podobě jeho následného technologického zpracování, zejména v oblasti svařování. Nejdůležitější faktory, které ovlivňují svařitel- nost hliníku je přítomnost oxidické vrstvy Al2O3 na povrchu hliníku a jeho slitin. Tato tenká vrstva chrání kov před nepříznivými vlivy oxidačního prostředí, které vedou k následné degradaci materiálu. Teplota tání této oxidační vrstvy se pohybuje kolem 2050°C, přičemž teplota tání čistého hliníku je 658°C. Oxidační vrstva brání kvalitnímu spojení dvou součástí, a proto musí být před samotným procesem svařování odstraněna nebo alespoň podstatně redukována. Odstranění probíhá buď chemicky, nebo mecha- nicky. Během svařování se používají ochranné plyny (argon, helium), které zamezí pří- stupu kyslíku k tavné lázni. [1,2]
Tavné svařování navíc přináší další problémy, jako je náchylnost ke tvorbě trhlin za horka, poměrně široká tepelně ovlivněná oblast, případně snížení mechanických vlastností v oblasti svarového spoje. Tuto problematiku lze částečně eliminovat použi- tím jiných metod svařování, využívajících k vytvoření svarového spoje jiných fyzikál- ních principů. Mezi takové metody patří například difúzní svařování ve vakuu nebo v plynném prostředí, které bylo objeveno v roce 1953 ruským profesorem N. F. Kaza- kovem. Svařování ve vakuu je velice výhodné, protože je možné získat svarový spoj, který obsahuje minimum škodlivých příměsí. [3]
12
2 TEORETICKÁ ČÁST
2.1 Difúzní svařování
Proces difúzního svařování byl poprvé navržen roku 1953 moskevským profesorem N. F. Kazakovem. Následně byl roku 1956 uznán patent tohoto způsobu svařování.
V období mezi roky 1961 a 1966 bylo difúzní svařování patentováno v USA, Německu, Velké Británii, Japonsku, Švédsku, Francii a Belgii. [4]
První pokusy difúzního svařování probíhaly ve vakuu za pomoci zařízení SDVU-1 a SDVU-2, které byly zhotoveny roku 1957 Moskevským kombinátem tvrdých slitin.
V sériové výrobě se začalo difúzní svařování využívat od roku 1965 v Sarajevu a v Tbilisi. [4]
Difúzní svařování se v České republice používá pouze zřídka. Nejsou k dispozici po- třebná zařízení a působí zde velice malé procento pracovníků, kteří by se věnovali po- třebnému technologickému výzkumu v této oblasti. [4,5]
2.1.1 Definice difúzního svařování
Difúzní svařování se řadí mezi způsoby svařování tlakem, které probíhá za nižších tep- lot, než je teplota tavení základních materiálů. Využitím dostatečného tlaku je vyvolána místní plastická deformace, při níž jsou k sobě materiály přiblíženy na takové vzdále- nosti, že začínají působit vazebné síly na úrovni atomové mřížky. [3]
Jedná se o proces svařování, při kterém je materiál ohřát na požadovanou teplotu za kontrolovaného tlaku a po určitý čas tak, aby pomocí difúzního toku atomů byla pře- konána mezera ve styčných plochách jak v tuhém, tak i v kapalném skupenství (při pou- žití roztavené mezivrstvy). Za těchto podmínek je dosaženo kompaktního spojení mezi dvěma spojovanými částmi. Kvalita a pevnost svarového spoje může za příhodných podmínek dosáhnout mechanických vlastností základního materiálu. [3]
Vzhledem k důležitosti difúze, která hraje při difúzním svařování velice podstatnou roli, bude tento děj v následujících odstavcích vysvětlen podrobněji.
13 2.1.2 Difúze
Výskyt difúze je založen na změnách, které je možné zkoumat na kovech a slitinách jako je např. růst zrna, zotavení a rekrystalizace, chemicko-tepelné zpracování, svařová- ní tlakem atd. Difúze je rozdělena na dva druhy, a to na samodifúzi a heterodifúzi. [3]
2.1.2.1 Samodifúze
Jedná se o proces, při kterém se jednotlivé atomy uloží do základní mřížky. Podstatou tohoto procesu je základní difúzní síla, která je vyvolána zmenšením chemického po- tenciálu Q, jednoduše řečeno se difúze může uskutečnit při vzniku gradientů napětí, při vzniku gradientů teploty, ale nejvýznamnější vliv má především při vzniku gradientů koncentrace. Proces samodifúze je zobrazen na obr. 2.1. [3]
Obr. 2.1 Zobrazení samodifúze v závislosti koncentrace na vzdálenosti [6]
Poznatky o koncentraci jsou shrnuty ve Fickových zákonech. Podle prvního Fickova zákona (2. 1.) je difúzní tok JA atomů prvku A za určitý čas ve směru osy a přes jednot- ku plochy závislý na gradientu koncentrace elementu a úměrný koeficientu difúze D. Jednoduše řečeno, první Fickův zákon vyjadřuje, jak velké množství atomů a iontů a jakou rychlostí difunduje materiálem. [4]
= − (2. 1.)
14
V případě proměnného difuzního toku se uvažuje změna koncentrace v závislosti na čase. Jedná se o nestacionární difúzi, která je popsána dle druhého Fickova zákona (2. 2.):[3]
= (2. 2.) kde CA je koncentrace prvku A, x je směr změny koncentrace difúze, t je čas změny koncentrace a D je koeficient difúze. [4]
V tab. 2.1 je uveden koeficient difúze D pro vybrané materiály. Z tabulky je patrné, že koeficient difúze je závislý na teplotě.
Tab. 2.1. Koeficient difúze pro určité materiály [7]
Tabulka difúzních koeficientů pro vybrané slitiny
Složení Teplota
(K)
Koeficient difúze D (cm2.s-1) Prvek 1 Prvek 2
Ag (99,999%) - 1020 1,43.10-10
Ag (98,9%) Zn (1,1%) 1020 1,63.10-10
Ag (95,95%) Zn (4,05%) 1153 26,2.10-10
Al (99,999%) - 762 4,02.10-10
Al (99,999%) - 881 7,92.10-9
Al (51,7%) Li (48,3%) 368 2,54.10-5
Al (52,7%) Ni (47,3%) 1323 4,7.10-2
Al (44,9%) Ni (55,1%) 1323 7,2.10-3
Al (99%) Cu (1%) 762 4,02.10-10
Co (78,5%) Ti (21,5%) 1074 4,3.10-2
15 2.1.2.2 Heterodifúze
Jedná se o složitější jev, kdy se v soustavě mění chemické složení jednotlivých fází a přenos se může uskutečnit i přes fázové rozhraní za předpokladu, že je difundující prvek v dané fázi alespoň částečně rozpustný. Tímto způsobem je možná difúze za podmínky dostatečné zásoby energie kmitajících atomů v krystalické mřížce, kdy se energie kmitání samostatných atomů mění nahodile. [3,6]
Názorný příklad je znázorněn na dvou odlišných článcích tvořených z čistých složek mědi a niklu. Obr. 2.2 představuje materiály, u nichž dochází k difúzi, pozici atomů a rozložení atomů napříč rozhraním před zvýšením teploty. Na obr. 2.3 jsou difúzní články po určitou dobu zahřáty (na nižší teplotu než je teplota tání obou kovů) a násled- ně ochlazeny na pokojovou teplotu. Výslednou analýzou bylo zjištěno, že se některé atomy z okrajů materiálů přesunuly, neboli difundovaly a naopak. Tento proces se na- zývá vzájemná difúze nebo difúze příměsí. [6]
Obr. 2.2 (a) Jednotlivé články před tepelným zpracováním. (b) Rozmístění atomů mědi a niklu.
(c) Koncentrace mědi a niklu napříč článkem. [6]
Obr. 2.3 (a) Mezi čistými kovy se po tepelném zpracování vytvoří slitina mě- di a niklu. (b) Rozmístění atomů po te- pelném zpracování. (c) Koncentrace mědi a niklu napříč článkem po tepel- ném zpracování. [6]
16 2.1.3 Stádia difúzního svařování
K vytvoření pevné vazby je důležité povrchy přiblížit natolik, aby jejich vzájemné pů- sobení bylo maximální. Požadovaného spoje je dosaženo bez relativního pohybu nebo viditelné deformace vzorků. [8]
Proces difúzního svařování je rozdělen na tři stádia viz obr. 2.4:
a) Počáteční kontakt obou povrchů obrobků, které se vlivem nerovnosti povrchů dotýkají pouze vrcholky.
b) První stádium je vlivem tlaku a aplikačního tepla charakterizováno deformací zrna na rozhraní obrobků.
c) Ve druhém stádiu dochází k přemisťování vakancí a dislokací při počátku vzá- jemné difúze atomů.
d) Třetí stádium je charakterizováno růstem nového zrna přes rozhraní, kdy postu- pem času dochází k vymizení původní hranice mezi spojovanými povrchy ve snaze o vyrovnání energií rovnovážné struktury. [8]
Obr. 2.4 Stádia vytváření difuzního spoje a) počáteční kontakt b) první stádium, defor- mace zrna na povrchu rozhraní c) druhé stádium, intenzivní difúze a mikrodeformace
d) dokonalý difuzní spoj [8]
17
2.1.4 Hlavní parametry ovlivňující difúzní svařování
Difuzní svařování je podmíněno a ovlivňováno třemi základními parametry. Tyto para- metry musí být vhodně zvoleny a následně pečlivě kontrolovány. Patří mezi ně teplota, tlak a doba výdrže při dané teplotě a tlaku. Celý proces svařování je přiblížen na obr. 2.5, kde je možné vidět celý pracovní cyklus difúzního svařování a princip di- fúzního svařování s indukčním ohřevem. [5]
Obr. 2.5 Levý obrázek určuje pracovní cyklus difúzního svařování, kde Tzv určuje teplo- tu, pV tlak a tZV je čas. Pravý obrázek přibližuje princip difúzního svařování indukčním
ohřevem. [4]
2.1.4.1 Teplota svařování
Teplota svařování je podmíněna především teplotou tavení základních materiálů.
Při svařování dvou heterogenních materiálů se teplota odvíjí od kovu s nižší teplotou tavení. Je experimentálně dokázáno, že difúzní koeficient roste s teplotou (obr. 2.6), což znamená, že rychlost difúze je zásadně ovlivněna teplotou. [4,5]
Obr. 2.6 Vliv teploty na difúzní koeficient [4]
18
Teplotní závislost koeficientu difúze je možné vyjádřit vztahem (2. 3.): [4]
= (2. 3.) kde D je difúzní koeficient při teplotě T, D0 představuje teplotně nezávislou materiálo- vou konstantu, která je závislá na struktuře, Qm je aktivační energie difúze, Rm určuje molární plynovou konstantu a T je absolutní teplota. Z uvedené rovnice vyplývá, že proces difúze je exponenciálně závislý na velikosti teploty, tedy i malé změny teploty mají značný vliv na kinetiku difúze. [4]
Svařovací teplota se pohybuje mezi 55 až 90% teploty tání daného materiálu. Podle N. F. Kazakova se považuje za optimální parametr 70% teploty tavení. Je ale snaha o snížení teploty za účelem eliminace degradace materiálu. [5]
Závislost difuzivity na teplotě pro vybrané binární soustavy je zobrazena na obr. 2.7. [9]
Obr. 2.7 Závislost difuzivity na teplotě v binárních soustavách [9]
19 2.1.4.2 Svařovací tlak
Nedostatečný tlak snižuje jakost svarového spoje díky malé stykové ploše, v níž dochází k difúzi na počátku svařování. To má za následek snížení mechanických vlastností, pro- tože nedošlo k difúznímu spojení v celé stykové ploše. Tlak má i další funkce, mezi které patří například rozrušení povrchových oxidů a udržení nutné čistoty spojovaných povrchů, které se uplatňuje zejména u svařování kovů s vysokou afinitou ke kyslíku jako je např. hliník. [3]
2.1.4.3 Svařovací čas
Svařovací čas bezprostředně souvisí s teplotou a tlakem při svařování, kdy správně zvo- lený čas zajišťuje vznik difúzního spojení v celé svarové ploše. Délka procesu se pohy- buje v závislosti na teplotě a tlaku v rozmezí od 3 do 60 minut. [5]
Provedené experimenty poukazují na to, že prodloužení doby svařování a zvýšení tla- kové sily zvyšuje pevnost pouze do určité hranice. Poté se již pevnost svarového spoje dále nezvyšuje. [3]
Při zvolení krátké doby svařování nedojde k ukončení difúzního procesu, kdy se neu- skuteční potřebné svarové spojení v celé stykové ploše dvou spojovaných součástí.
Naopak při dlouhé době svařování dochází u heterogenních spojů k nežádoucímu proce- su tvorby intermetalických fází. Dalším negativem při setrvaní na určité teplotě po dlouhou dobu je růst zrna, které významně snižuje výslednou pevnost svaru. [3]
Předpokládá-li se lineární deformace, lze určit svařovací čas dle vtahu (2. 4.), který je uveden dle M. Ch. Šoršorova, [4]
= ( ) (2. 4.)
kde A, B, m představují konstanty; σ je svařovací tlak; T je absolutní teplota svařování;
Q určuje aktivační energii difúze a k je Boltzmannova konstanta.[4] Vybrané materiály a základní svařovací parametry přibližuje (tab. 2.2).
20
Tab. 2.2. Parametry difúzního svařování u vybraných kombinací materiálů [4]
2.1.5 Další parametry ovlivňující difúzní svařování
Při difúzním svařování nemůžeme být zanedbána čistota a jakost svarových ploch mate- riálů. Tyto dva parametry mají významný vliv na výslednou pevnost svarového spoje.
Před samotným procesem svařování musí být svarová plocha opracována na požadova- nou drsnost a zároveň musí být odmaštěna. [5]
Svařované materiály Tsv (K)
psv (MPa)
tsv (min)
Nízkouhlíková ocel 1223 16 6
Středněuhlíková ocel 1273 12 5
Austenitická ocel 1423 14 15
Cu 1158 5,6 8
Al+Cu 723 3 8
Mo 1873 10 20
Nb 1573 15 10
W 2273 10 20
AlMg6 773 2 10
TiC+Mo 1700 5 10
ZrC+Nb 1673 15 10
ZrC+W 2073 15 10
NbC+Ta 1973 5 10
NbC+Mo 2073 5 10
TaC+Nb 1473 5 10
TaC+Mo 1873 5 10
WC+Mo 2123 5 10
WC+W 2173 5 10
Ni (pórovitý) 1223 4 25
21
Obr. 2.8 Pevnost svarového spoje v závislosti na drsnosti povrchu [5]
Na obr. 2.8 je zobrazen heterogenní svar ocelí 19 436 a 12 060 uskutečněný za teploty 950°C při tlaku 20 MPa, kdy svařování probíhá ve vakuu po dobu 5 minut. Pro tuto kombinaci bylo dosaženo nejlepších pevnostních vlastností při drsnosti povrchu v rozmezí Ra je rovno 1,6 až 3,2. [5]
Obr. 2.9 Pevnost svarového spoje v závislosti na způsobu čištění povrchu [5]
Na obr. 2.9 jsou znázorněny různé pevnostní parametry, které jsou dosaženy různými způsoby čištění dvou rozdílných materiálů. Kvalita difúzního spoje je ovlivněna několi- ka dalšími aspekty, které nelze zanedbat. Mezi ně patří např. velikost vakua, způsob ochlazování či použití mezivrstvy. [5]
22
2.1.6 Využití v praxi, výhody a nevýhody difúzního svařování
Difúzní svařování se používá v takových případech, kdy nelze klasickými technologie- mi daný materiál svařovat, protože by to bylo náročné či nákladné. Jedná se zejména o žáropevné, velice tvrdé materiály nebo materiály s vysokou afinitou ke kyslíku. [4]
V praxi je difúzní svařování využíváno zejména ke spojení různých kombinací materiá- lů. Výhodou této metody je možnost vytvoření svaru mezi kovy a nekovy, jako je např. keramika s ocelí, sklo s různou kombinací kovů, hliník s ocelí apod. [3]
Difúzní svařování je oproti jiným konvenčním způsobům svařování charakterizováno řadou výhod, má však i své nevýhody. Mezi největší výhody patří to že:
Nejsou potřeba přídavné materiály (svařovací dráty, drahé pájky, apod.)
Možnost svarového spoje mezi kovy a nekovy
Při svařování nevzniká licí struktura, netvoří se okuje, struska ani výronky
Při procesu svařování se nezvětšuje hmotnost výsledné konstrukce
Tepelně ovlivněná oblast je příznivější než u tavného svařování
Kvalita svaru není přímo závislá na lidském faktoru
Samotný proces probíhá v hygienickém prostředí bez dýmu, prachu a záření
Nedochází k tavení kovu, a proto nevzniknou problémy s licí strukturou [3,5]
Největšími nevýhodami jsou:
Velikost svařených dílů je omezena velikostí vakuové komory
Zařízení pro difúzní svařování jsou velice nákladné
Náročnější a nákladnější úprava svarových ploch
Delší svařovací časy [3,5]
23
2.2 Teplotně-napěťový simulátor Gleeble 3500
S příchodem nových materiálů nastává problém s jejich následným uvedením do výro- by, které je často zdlouhavé a velice nákladné. Nové materiály umožňují zejména sní- žení hmotnosti výsledného výrobku při zachování příznivých mechanických podmínek.
Ke zrychlení testovací fáze přispěla významnou částí fyzická simulace. Jedná se o tes- tování výrobků za určitých teplotně-napěťových podmínek, které probíhají v laboratoři a simulují technologické zpracování materiálu. Výhodou oproti klasickým zkušebním testům je zejména využití malého testovacího vzorku, které přiblíží konečné změny sku- tečného dílu a jeho podmínky zpracování. Při správném nastavení mohou být výsledky fyzických simulací použity přímo v reálné výrobě. Mezi velice populární simulátory patří systém Gleeble od americké firmy Dynamic Systems Inc. [10]
2.2.1 Systém Gleeble 3500
Jedná se o servo-hydraulický plastometr americké firmy Dynamic Systems Inc., jenž splňuje nejnáročnější požadavky na dynamické, tepelně mechanické zkoušení a simula- ci. Existuje mnoho možností využití tohoto systému, mezi které patří například simulace difúzního nebo laserového svařování, teplotní únava materiálu, simulace objemového tváření a válcování za tepla, či testování vzniku trhlin za tepla. Systém Gleeble 3500 lze využít k výzkumu chování kovových materiálů za vyšších teplot, které se využívají zejména ke studiu difúze, tání a tuhnutí, rekrystalizace, růst zrna, či precipitace. [10,11]
Zařízení lze rozdělit na tři hlavní části. Jedná se o ovládací (řídící panel), hlavní jednot- ku využívající hydrauliku a transformátor k ohřevu a vlastní testovací zařízení. Jednot- livé části jsou ukázány na obr. 2.10. Základní výkonnostní parametry systému Gleeble 3500 uvádí tab. 2.3. [10]
24
Obr. 2.10 Systém Gleeble 3500, 1 řídící panel, 2 hlavní jednotka, 3 vlastní testovací zařízení [10]
Tab. 2.3. Vybrané výkonnostní parametry systému Gleeble 3500 [11]
Výkonnostní parametry Gleeble 3500
Maximální rychlost ohřevu 10 000 ̊C.s-1
Maximální ochlazovací rychlost 6 000 ̊C.s-1
Maximální zdvih 100 mm
Největší rychlost pohybu 1 000 mm.s-1
Maximální síla 10 000 N
Maximální průměr vzorku 20 mm
2.2.2 Komponenty a součásti systému Gleeble 3500
Zařízení se skládá z mnoha součástí a komponent, které tvoří systém jako celek. Hlavní jednotka využívá hydraulického systému, který slouží jako pohon samotného zařízení.
K hlavní jednotce je připojena mobilní jednotka. Požadovanou tahovou a tlakovou sílu zabezpečuje hydraulické čerpadlo, které dodává tlak hydraulickému systému v hlavní jednotce. Další důležitou součástí systému je vakuový systém, který má za úkol odčer- pání vzduchu z vakuové komory. Vytvořené vakuum brání vzorek před vysokoteplotní oxidací a zároveň poskytuje ochranu součástkám uvnitř vakuové komory. Díky vakuové pumpě je uvnitř pracovní komory vytvořeno vakuum větší než 10-1 Pa. Vakuový systém umožňuje zpětně naplnit vakuovou komoru inertním plynem, protože při teplotách
25
nad 1200 ̊C je problematické udržet dostatečné vakuum k ochraně testovaného materiá- lu. Velmi důležitou součástí systému je rovněž chladící zařízení. [10]
Přístroj Gleeble 3500 může dosáhnout velmi vysoké rychlosti ohřevu daného materiálu.
Je uplatňován při fyzických experimentech a tepelně-mechanických simulacích. Díky přímému odporovému ohřevu lze dosáhnout rychlosti ohřevu až 10 000°C.s-1. Tato rychlost se odvíjí především od průřezu vzorku, způsobu namáhání a volné délky vzor- ku mezi vysokoteplotními čelistmi viz obr. 2.11. [10,11]
Obr. 2.11 Schematické zobrazení volné délky vzorku mezi vysokoteplotními čelistmi [10]
Výhodou ohřevu za pomoci elektrického odporu se současným chlazením vzorku po- mocí vysokoteplotních upínacích čelistí je možné regulovat rychlosti ohřevu a výdrže na požadované teplotě s vysokou přesností ±1°C. K měření teploty vzorku lze využít infračervený pyrometr nebo termoelektrické články, které poskytují velice rychlou ode- zvu.[9] Vzorek je upnut do vysokoteplotních čelistí, které slouží jak k ohřevu, tak k ochlazování vzorku. Rychlost ohřevu a ochlazování se liší především podle druhu použitého materiálu, tvaru a materiálu čelistí. [10]
Systém Gleeble 3500 umožňuje využití celkem čtyř kanálů pro měření teploty. Na kaž- dý kanál může být připojen jeden termočlánek nebo může být jeden kanál využit k při- pojení pyrometru. Ke snímání teploty lze použít různé druhy termočlánků, které se liší chemickým složením a rozsahem teplotní aplikovatelnosti, ve které mohou být použity.
Systém Gleeble 3500 umožňuje použití termočlánků typu E, K, S, R a B. [10]
26
Při experimentech prováděných v této práci bude využit termočlánek typu K (tab. 2.4).
Jedná se o nejběžnější termoelektrický článek, který je použitelný v řadě aplikací. Díky jeho složení se vyznačuje odolností proti korozi. Termočlánky tohoto typu vykazují nejlepší výsledky v čistých oxidačních prostředích.[12] Použití tohoto termočlánku je výhodné jak z hlediska jeho teplotního rozsahu, tak i možností použití ve vakuu a inert- ních plynech případně na vzduchu. Správný výběr vhodného termočlánku je velice dů- ležité pro bezproblémový průběh testu. [10,12]
Tab. 2.4. Základní charakteristika termočlánku typu K [12]
Typ termočlánku Charakteristika
Měřící rozsah
(+) (-)
Typ K Ni-Cr Ni-Al 0-1260°C
2.2.3 Teplotní gradient
Naměřená teplota ohřevu na testovaném vzorku není po celé jeho délce rovnoměrná.
Způsob ohřevu vzorku v simulátoru Gleeble spolu s variabilitou upínacích vysokotep- lotních čelistí, umožňuje ve vzorku vytvořit různé teplotní gradienty. Při samotném tes- tování lze využít gradienty s vysokou rovnoměrností ve směru délky vzorku, ale i gradienty strmé. V případě difúzního svařování je snaha o co nejstrmější teplotní gra- dient, aby byla pracovní teplotou ovlivněna co nejmenší oblast svařovaného vzorku.
Výsledný gradient se odvíjí od druhu materiálu, teplotního a elektrického odporu, po- měru povrchu a objemu, ale také od volné délky vzorku, která byla ukázána na obr.
2.11. Můžeme říci, že čím je volná délka vzorku kratší, tím je dosaženo strmějšího tep- lotního gradientu. [10]
2.2.4 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.
Díky jeho velké reaktivitě se v přírodě vyskytuje pouze ve sloučeninách. Mezi nejvý- znamnější rudu, ze které se pomocí elektrolýzy vyrábí hliník, patří především bauxit.
[13,14] Jedná se o načervenalou rudu, která je směsicí několika minerálů zahrnující hydroxidy hliníku s příměsí oxidů železa, křemíku, či titanu jako hlavních nečistot.
Bauxit je ekonomicky nejvýznamnější surovinou pro výrobu hliníku. Těží se zejména 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
Atomové číslo 13
Relativní atomová hmotnost 26,982
Krystalová mřížka FCC
Parametr mřížky 0,404958 nm
Hustota 2,699 g/mm3 (při 20°C)
Bod tání 660,4°C
Teplota varu 2494°C
Tepelná vodivost 247 W.m-1 (při 25°C)
2.3.1 Základní dělení slitin hliníku
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
2000 Měď Al – Cu
3000 Mangan Al – Mn
4000 Křemík Al – Si
5000 Hořčík Al – Mg
6000 Hořčík a křemík Al – Mg – Si
7000 Zinek Al – Zn
8000 Ostatní prvky Al s různými prvky
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 - -
EN AW – 6056 EN AW – AlSi1MgCuMn - -
EN AW – 6060 EN AW – AlMgSi ČSN 424401 AlMgSi
EN AW – 6061 EN AW – AlMg1SiCu - -
EN AW – 6063A EN AW – AlMg0,7Si ČSN 424401 AlMgSi EN AW – 6082 EN AW – AlSi1MgMn ČSN 424400 AlMg1Si1Mn
EN AW – 6101B EN AW – AlMgSi(B) - -
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
Mez pevnosti v tahu Rm
(MPa)
Min. mez kluzu Rp (Mpa)
Tažnost A min.
(%)
AlSi1MgMn
T4 min. 205 110 14
T6 min. 290 240 8
T651 min. 300 240 4
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 dosahuje 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 rozpouštěcímu žíhání a umělému a přirozenému 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 Ra=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 přechodu odporového proudu 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 Příloze 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 T530_F314_t40_Ar
Obr. 3.6 Difúzní spoj vytvořený v argonovém prostředí 3.3 Realizace difúzních svarů ve vakuovém prostředí
Pro porovnání vlivu ochranného prostředí na pevnost difúzního svaru byly uskutečněny dva spoje ve vakuovém prostředí opět s výdržemi na teplotě 530°C po dobu 40 a 80 min. Parametry simulace byly totožné, jako v předchozím experimentu (tab. 3.1), pouze se změnou ochranného prostředí, které bylo v této simulaci zastoupeno vakuem. Styko- vé plochy byly opět naleptány pomocí HF, což se zdálo jako nejvýhodnější způsob úpravy svarových ploch, kdy oproti prvním experimentům (kap. 3.1) došlo k viditelně lepšímu spojení vzorků. Difúzní svařování probíhalo ve vakuu velikosti 4.10-2 Pa.
0 10 20 30 40 50 60
0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200 250 300
Výkon [%]
Teplota [°C]
Čas [s]
Průběh aktuálního výkonu při ohřevu materiálu
Teplota (°C) PowAngle (%)
41
Výkon transformátoru nepřesahoval hodnotu 53%. Při postupném ohřevu materiálu docházelo od určité teploty ke změnám aktuálního výkonu, tak jak je zřejmé z obrázku 3.7. Tento jev je zapříčiněn nerovnoměrným průchodem elektrického proudu přes sty- kovou plochu vzorku, což u vzorku v argonovém prostředí není patrné. Při výdrži na požadované teplotě je již výkon konstantní.
Obr. 3.7 Křivka aktuálního výkonu při ohřevu na požadovanou teplotu vzorku T530_F314_t40_vac
Ve vakuovém prostředí došlo k větším deformacím, než tomu bylo v ochranném pro- středí Ar. Při výdrži na teplotě po dobu 40 min dosahovala hodnota deformace 2 mm.
Vzorek s výdrží na teplotě po dobu 80 min vykazoval deformaci, která se blížila k 3 mm a byla tedy jasně zřetelná „soudečkovitost “ (obr. 3.8). Průběh deformace v závislosti na čase vzorku T530_f314_t80_vac je zobrazen na obr. 3.9. Průběh deformace vzorku s výdrží na expoziční teplotě po dobu 40 min je uveden v Příloze 3.
Obr. 3.8 Deformovaný difúzní spoj T530_f0314_t80_vac vytvořený ve vakuu
0 10 20 30 40 50 60
0 100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200 250 300
Výkon [%]
Teplota [°C]
Čas [s]
Průběh aktuálního výkonu při ohřevu materiálu
Teplota (°C) PowAngle (%)
42
Obr. 3.9 Deformační křivka vzorku T530_f314_t80_vac
Z grafu je velice dobře patrné, že velikost deformace se v závislosti na čase zpomaluje, což je velice výhodné pro simulace při delší výdrži na expoziční teplotě.
Jak je uvedeno v kap. 3.6, tak se mez pevnosti Rm zvýšila oproti argonovému prostředí téměř dvojnásobně. Výsledky z tahové zkoušky poukazovaly na nepatrně lepší mecha- nické vlastnosti vzorku s výdrží na teplotě 530°C po dobu 80 min než u vzorku s výdrží po dobu 40 min. Tyto výsledky poukazují na růst mechanických vlastností s časem, které se shodují s tvrzením N. F. Kazakova (kap. 2.1.4.3). Mechanické vlastnosti rostou pouze do určitého času, poté se již nijak zásadně nemění.
3.4 Realizace difúzních svarů za vyšších teplot
Při hledání nejvýhodnějších základních parametrů difúzního svařování hliníkové slitiny AW 6082 byl proveden experiment za vyšších teplot. V teoretické části je popsán vliv teploty na koeficient difúze a na následnou difúzi, která se zvyšuje s teplotou. Z těchto poznatků byly uskutečněny dvě simulace, a to za teploty 570°C s tlakem 3 MPa a za stejné teploty s tlakem 2 MPa. Oxidace ze stykových ploch vzorků byla opět od- straněna kyselinou fluorovodíkovou a pro svařovací čas byla zvolena hodnota 40 min pro oba vzorky. Difúzní svařování se uskutečnilo ve vakuovém prostředí. Z předešlých
43
testů byl tento postup posouzen jako nejvýhodnější a výsledné mechanické vlastnosti svaru vycházely nejlépe.
Obě simulace musely být přerušeny předčasně v důsledku odpadnutí termočlánku a vy- sokému výkonu transformátoru. Při takto vysokých teplotách je již soudržnost materiálu velice nízká, a tak byl termočlánkový drát ze vzorku vytržen i s malou částí materiálu.
Teplota tavení materiálu AW 6082 se pohybuje v rozmezí od 580°C do 660°C a liší se zejména chemickým složením.
3.5 Optimalizace základních parametrů
Vzorky s doposud nejlepšími výsledky (kap. 3.3) z tahových zkoušek byly podrobeny metalografickým zkouškám. Po přezkoumání svarového spoje pod mikroskopem bylo patrné, že kvalitnějšího svarového spoje bylo dosaženo při svařovacím čase 80 min (obr. 3.12), nikoliv při 40 min (obr. 3.11). Vzorek s menší výdrží vykazoval větší ne- provařené plochy, což vede ke snížení mechanických vlastností spoje. Tento poznatek vedl k optimalizaci časové výdrže na teplotě 530°C po dobu 180 min. Postup při simu- laci byl totožný se vzorkem z kap. 3.3. Program použitý pro tento experiment je popsán v obr. 3.10.
Obr. 3.10 Program použitý pro experiment za optimalizovaných podmínek
44
Obr. 3.11 Difúzní svar vzorku T530_f314_t40_vac
Obr. 3.12 Difúzní svar vzorku T530_f314_f314_t80_vac
Deformace se velice podobala vzorku s výdrží na teplotě 530°C po dobu 80 min, což potvrdilo správnost a opakovatelnost měření, kdy se deformace v průběhu času zásadně zpomalovala. Výsledný svar byl podroben tahovým zkouškám a z výsledků bylo patrné,
