Az alumnium viszonylag „fiatal” fémünk. 1827-ben fedezték fel annak ellenére, hogy a harmadik leggyakoribb elem az oxigén és a szilcium után, de gazdaságos gyártását csak 1895-ben sikerült megoldani. A kezdeti lassú fejlődést egy egyre gyorsuló ütemű növekedés jellemezi: az 1970-es évek közepére már 10 milli tonna alumniumot álltanak elő, majd a következő 20 évben – 2000-re – ez az érték is megduplázdik.
A terjedésének töretlen alapjául kis sűrűsége, jő hő- és villamos vezetőképessége, – esetenként – acéllal vetekedő szilrádsága és szívóssága, kiváló alakíthatósága, korrózióállsóga és tetszetős felülete szolgál. (érdekessége, hogy 1 kilogramm alumnium kétszer annyi áramot képes vezetni, mint ugyanennyi réz.) Az alumnium iménti fizikai tulajdonságait az elektronikai ipartól kezdve, az autóiparon, vegyiparon, csomagolóiparon és feldolgozóiparon át egészen az űrtechnikáig kihasználják. Jellemző terjedésére, hogy a 2006-os Európában, Észak-Amerikában és Japánban gyártott, nem haszongépjármű modellekben elérte az alumnium komponensek mennyisége a 280 fontot (~127 kilogrammot), amellyel megelőzve a mindezidáig vezető acélt, az autóipar legnagyobb mennyiségben felhasznált anyagává vált *!
Aluminium hegesztés nehézségei
Az aluminium hegesztés-énel a következők, amelyek problémát okozhatnak:
Felületi oxidréteg illetve ennek feltörése,
Porozitásképződés a varratban,
A hegesztett kötés repedésérzkenysége,
A hőhatásövezet kilágyulása,
Kezdeti hidegkötés a varratban,
Végkárter repedés a hegesztés befejezésekor.
Az aluminium hegesztés megkezdése előtti legfontosabb tudnivaló, hogy az alumnium felületén egy koherensen tapadó, stabil felületi oxidréteg (Al2O3) helyezkedik el. Ez az oxid réteg természetes – vagy mesterséges (anódos oxidálás = eloxálás) – módon alakul ki a felületen, szobahőmérsékleten 0,01…0,1 μm vastagságban. Ez az oxidképzősi hajlam olyan erős, hogy fémesre tisztított felületen is egy perc alatt ~0,001 μm vastag réteg alakul ki.
Az aluminium hegesztése során jelentkező legfontosabb feladat ennek az Al2O3 rétegnek a felbontása, mivel olvadáspontja 2050 C, míg az alapfém aluminium – ötvzettípustól függően – 600… 650 C. A probléma ebből fakad, hiszen a hegesztendő anyagdarab az oxidréteg felbontása előtt –, de már olvadáspont feletti hőmérsékleten – megfolyik vagy akár lecseppen, miközben az oxidréteg még mindig szilrád állapotban létezik a fürdő tetején, gátolva a hegesztett kötés kialakulását. Az Al2O3 oxidréteg eltávolítsát elvégezhetjük kémiai vagy vegyi bontással (pl.: gázhegesztés, bevontelektródás kézi ívhegesztés), katódporlasztással (pl.: váltóram TIG, MIG)vagy mechanikus feltöréssel (pl.: sajtolóhegesztések, kavaró dörzshegesztés).
Aluminium hegesztés-i technológiák
A teljesség igénye nélkül.
Lánghegesztés
A lánghegesztés volt az első olyan hegesztési eljárás, amellyel az aluminium-ot először próbálták hegeszteni. Természetesen a hőforrásként szolgáló erősen oxidáló láng ezt teljességgel lehetetlenné tette, mignem hosszas próbálkozások eredményeképpen kifejlesztettek olyan erősen savas (jellemzően flouridos, kloridos) segédanyagokat, amelyek egyrészt kémiai úton bontották az aluminium-oxidot, másrészt az ömledéket elzárták a levegő elől, így védve azt az olvadás pillanatában – máskülönben – azonnal jelentkező oxidációtól. A segédanyagokban alkalmazott agresszív komponensek következtében ez a fajta aluminium hegesztés erősen egészségkárosító volt, ráadásul rendkívüli ügyességet s jártasságot igényelt, így ebben az időszakban (az 1900-as vek első évtizedei) inkább sajtoló s ömlesztve sajtoló technológikat illetve a szegecselést alkalmazták.
Meg kell jegyezni, hogy az AWI eljárás teljesen precíz megnevezése semleges védőgázas nem-leolvadó elektródás ív-hegesztés lenne, de mivel az európai gyakorlatban a semleges védőgáz túlnyomórészt argon (1920: H. M. Hobart) (az USA-ban pedig inkább a hélium (1920: P. K. Bevers)), a nem-leolvadó elektróda pedig valamilyen wolfrámötvözet, ezért hazánkban mindenki AWI-ként ismeri ezen hegesztést. Használatosak még a TIG (Tungsten Inert Gas – Európában angol nyelven), a WIG (Wolfram Inert Gas – német terminológia) és a GTAW (Gas Tungsten Arc Welding – USA) mozaikszavak.
A TIG hegesztés a lánghegesztés analógiájára kialakított kétkezes eljárás volt. Egyik kézzel a hegesztő a hőforrást biztostó égőt tartja, a másikkal pedig a hegesztőanyagként szolgáló pálcát adagolja az ömledékbe.
Az AWI hegesztés – általnosságban – alkalmazható mind egyen-, mind váltakozó árammal, de aluminium hegesztés-hez váltakozó áramot kell alkalmazni. A váltakozó áram alkalmazása során az egyenes és fordított polaritás áramkomponens ciklikusan váltakozik, amelynek köszönhetően az Al2O3-réteg feltörik.
Egyenáram, egyenes polaritás alkalmazása esetén az ív hőjének 70%-a az alapanyagba kerül, mivel az elektronok a varrat felé, míg – a nagyobb tömegű – ionok az elektróda felé áramlanak . Ebben az esetben a legnagyobb az elréhető beolvadási mélység. Erre az üzemmódra jellemző még az is, hogy ekkor a leghosszabb az elektróda hegyének élettartama, kihegyezett alakját a legtovább így tartja. Hátránya ugyanakkor, hogy az alumnium felületén lévő oxidréteget nem képes feltörni.
Egyenáram fordított polaritás esetén az elektronok az elektróda felé áramlanak. Ez azt jelenti, hogy a hő közel 70%-a az elektróda végre összpontosul gyors elektróda legömblyödést, majd tönkremenetelt valamint sekély beolvadást eredményezve. Minden negatívum ellenre a fordított polaritás nagyon fontos tulajdonsága, hogy alkalmazásával lehetőség nyílik a könnyűfémek felületi oxidrétegének feltörésére! Ez nagyon fontos az aluminium és a magnézium hegesztésénél, azonban a túlzott elektróda elhasználódás lehetetlenné teszi ezen üzemmd alkalmazását.
A váltakozó áramú TIG hegesztés tehát az a járható út, melynek során az oxidréteg is feltörik egy közepes beolvadási mélység mellett és az elektróda legömbölyödése is elfogadható.
A váltakozó áramú AWI hegesztés paraméterei közül az egyik legfontosabb – az áramerősség mellett – az egyenes és fordított polaritás komponensek aránya. Ezt ívbalansz álltási lehetőségnek nevezik. Minél tisztább a hegesztendő felület annál nagyobb egyenes polaritás arányt érdemes álltani, hogy a volfrmelektróda kopását ezzel csökkentsük és a beolvadási mélységet növeljük. Aluminiumhegesztés-ekor fontos a helyesen – az alkalmazni kívánt hegesztőáram, a pozició és a védőgáz függvényében – megválasztott méretű wolfrámelektróda illetve annak előkészítése is.
Megfelelő balansszal hegesztett kötés aluminium cső és öntvény között.
Bővebben és további a hegesztéssel kapcsolatos hasznos információk az ESAB Hírek-ben!
Az aluminium hegesztés-hez kínált áramforrások lehetnek pl.: