PŘÍSPĚVEK DO PROBLEMATIKY SPOJOVÁNÍ POZINKOVANÝCH PLECHŮ

PŘÍSPĚVEK DO PROBLEMATIKY SPOJOVÁNÍ POZINKOVANÝCH PLECHŮ ING. MARTIN ROUBÍČEK, PH.D. AIR LIQUIDE CZ, S. R.O. Mnoho odvětví strojírenské výroby lze dnes charakterizovat nástupem nových konstrukčních materiálů. Jsme svědky šířícího se použití termomechanicky zpracovaných mikrolegovaných ocelí, vysokolegovaných (jedno i dvoufázových) korozivzdorných, setkáváme se stále častěji s hliníkem jako konstrukčním materiálem, nová uplatnění nalézají i nekovové materiály (plasty, kompozity). Nezanedbatelnou skupinu perspektivních materiálů tvoří také klasické konstrukční oceli s nanesenými funkčními povlaky. Zároveň s tímto rozvojem v materiálové oblasti materiálů se vyvíjejí technologie zpracování. Žárově pozinkované oceli rozhodně nelze řadit mezi nové materiály, nicméně rozvoj jejich použití v různých oblastech je v současnosti řadí mezi velmi progresivní komodity. K odvětvím, která zpracovávají největší množství pozinkovaných materiálů patří především automobilový průmysl, dále pak stavebnictví, výroba vzduchotechnických a klimatizačních zařízení, výroba zařízení a přístrojů pro domácnost (nábytek, bílá technika, ), regálových systémů, kontejnerů, palet, skříní a podobně. Například u moderního automobilu je požadována nízká spotřeba pohonných hmot (potřeba snižování hmotnosti vozidla), bohatá doplňková výbava (zvyšuje hmotnost) a dlouhá životnost. To přináší tlak na snižování hmotnosti karosérie. Tento rozpor výrobci automobilů dnes řeší za použití tenkých hlubokotažných plechů žárově pozinkovaných, výjimečně také pomocí slitin hliníku nebo kompozitních materiálů. Povrchová úprava pozinkováním zaručí dostatečnou protikorozní odolnost a tudíž požadovanou životnost, malá tloušťka plechu sníží hmotnost. U dnes vyráběných modelů automobilů činí podíl pozinkovaných plechů více než 70 %, což umožňuje výrobcům zásadně prodloužit dobu záruky na Obrázek 1: MIG pájení. prokorodování karosérie. Tento vývoj je pozitivní pro konečného zákazníka uživatele výrobku, z hlediska výrobce však vede ke komplikacím, například v technologii svařování. Protikorozní ochrana pozinkováním Techniky nanášení estetických či funkčních povlaků na konstrukční materiály pokovením jsou známy již celé období rozvoje moderních technologií. Za různými účely je rozmanitými způsoby nanášena celá řada kovů (Au, Cr, Cu, Ni, Zn, Cd, Al, ) a jejich slitin a jsou vytvářeny také vícevrstvé povlaky tvořené vrstvami různých vlastností. Technologie, která však dnes nejvíce zajímá svařovací specialisty, je bezpochyby nanášení zinkových vrstev na díly z nelegovaných ocelí za účelem zvýšení ochrany proti korozním vlivům okolního prostředí. Spotřeba pokovených ocelových plechů v období 1975 2000 byla zdvojnásobena, zatímco prodej neupravených plechů v tomtéž období klesl řádově na polovinu (1). Způsoby nanášení zinkových vrstev Metod jak nanést tenkou vrstvu zinku na povrch ocelového dílu je více, přičemž mezi nejpoužívanější patří následující:! žárové pozinkování (ponorem v roztavené zinkové lázni)! galvanické pozinkování (pomocí galvanického článku a vhodného elektrolytu)

! žárové stříkání, metalizace (šopování - nástřik polotekutého zinku na povrch dílu speciální pistolí nejčastěji pomocí zinkového drátu)! nátěrem nebo nástřikem (nátěrovými systémy s vysokým obsahem zinku) Bez dlouhého váhání lze konstatovat, že nejefektivnějším způsobem pozinkování konstrukční nelegované oceli je metoda žárového pozinkování ponorem v lázni tekutého Zn. Tento způsob pokovení využívá vzájemné rozpustnosti železa a zinku, kdy se za technologické teploty okolo 450 o C vytváří intermetalické fáze na rozhraní styku povrchu upravovaného dílu s roztaveným zinkem. Povlak má pak v závislosti na vzdálenosti od jeho povrchu rozdílné chemické složení, přičemž s narůstající vzdáleností od povrchu povlaku stoupá procento Fe. Výsledná vrstva vykazuje relativně rovnoměrnou tloušťku, dobrou přilnavost i estetický vzhled s charakteristickým zinkovým květem. Nevýhodou technologie žárového pozinkování zůstává snad jen potřeba dodržení technologičnosti výrobku, který chceme pokovit, omezení velikosti dílů rozměrem vany zinkovny a nutnost provádění povrchové úpravy v zinkovně nikoliv u výrobce konstrukce či na montáži. TECHNOLOGIE NANÁŠENÁ TLOUŠŤKA Pro následné zpracování je významná dosažená tloušťka vrstvy. Pro spojování konstrukce svařováním je vedle tloušťky povlaku důležitá také rovnoměrnost nanesené vrstvy v místě spojování. Pokud nanášíme povlak některou z výše uvedených metod, dospějeme v každém případě k jiné optimální tloušťce Zn vrstvy (tabulka 1). Galvanické pozinkování 2,5 10 µm Žárové pozinkování 10 30 µm Žárové stříkání Zn 50 120 µm Nátěrové systémy na bázi Zn 100 300 µm Tabulka 1: Metody nanášení zinkových vrstev Princip katodické ochrany Zinková vrstva zajišťuje ocelovému základnímu materiálu ochranu bariérou, která zabraňuje styku oceli s korozním prostředím. V případě porušení zinkové vrstvy pak poskytuje tzv. katodickou ochranu. V rozrušeném místě za přítomnosti korozního prostředí elektrolytu (např. dešťová voda) vznikne díky rozdílným elektrochemickým potenciálům obou kovů ve styčné oblasti miniaturní galvanický článek Fe - Zn, v němž Zn je katodou a tudíž dochází přednostně ke koroznímu úbytku zinku a ocel je v daném místě chráněna proti degradaci. Produktem oxidace zinku je pak Zn 2 O 3, který zaujímá větší objem než zinek před oxidací a má tudíž tendenci zaplnit vzniklou mezeru. Tento jev dokáže ochránit přerušení Zn vrstvy až 1 2 mm široké. Spojování pozinkovaných dílů Požadavky kladené na technologii svařování pozinkovaných ocelí:! nízké tepelné zatížení konstrukčních částí z důvodu deformací (zvláště u tenkých plechů) a zachování Zn vrstvy! vrstva Zn na základním materiálu nesmí být porušena nebo jen místně s ohledem na schopnosti katodické ochrany! svarová housenka musí být dodatečně ochráněna proti korozi! vysoká stabilita procesu vzhledem k robotizovanému zpracování a vícesměnnému provozu, např. v automobilkách

Výše uvedené požadavky připouští pouze použití metody svařování s nízkým energetickým vstupem a vysokou hustotou výkonu. Pro pozinkované plechy se proto často aplikují metody MAG svařování nebo MIG pájení. Při svařování metodou MAG nízká teplota tavení, resp. teplota varu zinku (viz. tabulka 2) negativně ovlivňuje proces svařování. Při svařování musí dojít k roztavení základního a přídavného materiálu, přičemž teplota svarové lázně se pohybuje okolo 2 000 o C. Za těchto podmínek již při zapálení oblouku začíná proces tavení a odpařování zinku. To má za následek velký opal zinkové vrstvy. Odpařování zinku a vznikající oxidy dále vedou k nestabilnímu oblouku a ke vzniku pórů, vad spojení a tvorbě trhlin. Kondenzující výpary Zn a velký rozstřik pak způsobují zanášení svařovacího hořáku. Spojování klasickým MATERIÁL TEPLOTA TAVENÍ [ C] TEPLOTA VARU [ C] Ocel 1500 2 500 Zinek 419 908 Měď 1083 2590 Hliník 660 2450 CuSi3 950 - CuAl8 1035 - Tabulka 2: Teploty tavení a varu vybraných materiálů. MAG svařováním je tedy velmi problematické pokud bereme do úvahy pevnost svarového spoje a neporušenost protikorozní ochrany. Nezanedbatelné nejsou ani negativní hygienické vlivy zinkových výparů. Abychom se vyhnuli výše uvedeným komplikacím, bývá pak v praxi často zinková vrstva před svařováním odstraňována obroušením. MIG pájení Alternativní technologie MIG pájení je jako metoda tvrdého pájení známá v automobilovém průmyslu již od 70. let minulého století. Během několika posledních let však prožila skutečnou renezanci. Základní rozdíl oproti MAG svařování spočívá v použití tvrdých, resp. vysokoteplotních pájek, např. bronzových drátů, jako přídavného materiálu, kdy zdrojem tepla potřebného pro tavení pájky je elektrický oblouk generovaný standardním MIG/MAG svařovacím zdrojem. V optimálním případě dochází pouze k natavení pájecího drátu, nikoli základního materiálu. To znamená, že spojení odpovídá typickému pájenému spoji. Díky nízké teplotě tavení použité pájky se zinková vrstva sice nataví, nicméně odpařuje se pouze nepatrně a zůstává tak do značné míry neporušená. Bez zinkové ochrany tak zůstává jen tenká mezera mezi bronzovou housenkou a neporušeným okolním základním materiálem, která je však do značné míry chráněna díky schopnosti katodické ochrany Zn. Ochranné plyny při MIG pájení Funkce ochranné atmosféry je v případě technologie MIG pájení ekvivalentní jako u MIG/MAG svařování. Důraz je však kladen převážně na následující kritéria:! stabilizace elektrického oblouku! optimalizace smáčivosti pájky! vlastnosti přenosu přídavného materiálu! řízení příkonu tepelné energie do procesu Pro MIG pájení se jako ochranný plyn tradičně používá čistý argon (ARCAL 1, ARCAL TIG-MIG), proto taky název MIG pájení. Použití čistého argonu nabízí relativní stabilitu oblouku a dobré charakteristiky smáčení. Výhodou je také nízký propal legur a v určitých případech lze argon doporučit. Stejně jako v případě svařování mají aktivní příměsi v argonu, jako je kyslík nebo oxid uhličitý, pozitivní vliv na stabilitu oblouku a výkon odtavení. Oblouk díky nim hoří klidněji a stabilněji, odtavovací výkon, teplota a tekutost lázně rostou, rozstřik je ve srovnání s čistým argonem menší. Výhody aktivních příměsí argonu lze shrnout následovně:! Ar + malý podíl O 2 nebo CO 2 stabilnější oblouk! Ar + malý podíl O 2 nižší viskozita tavné lázně! Ar + malý podíl CO 2 menší tvorba pórů

Známé a běžně používané jsou ochranné plyny ze skupin M12 a M13 (ČSN EN 439) s obsahem kyslíku nebo oxidu uhličitého do 3 %. Méně běžné je použití standardních směsných plynů ze skupiny M21 (5 25 % CO 2 v Ar). Komplexní tabulka 3 popisuje vliv složení ochranné atmosféry na proces pájení. Na základě této tabulky lze dospět k optimálnímu složení ochranné směsi. Světový leader v oblasti vývoje ochranných atmosfér pro svařování je společnost Air Liquide. Ve výzkumných PLYN STABILITA OBLOUKU SMÁČENÍ TVORBA OXIDŮ TVORBA PÓRŮ HLOUBKA ZÁVARU Ar + 0 + 0 0 CO 2 +++ - - + + O 2 +++ - -- - - H 2 ++ ++ + - 0 He 0 ++ + + -- N 2 + 0 + 0 0 Tabulka 3: Vliv komponent ochranné atmosféry na vybrané vlastnosti procesu (+ pozitivní, - negativní, 0 nemá vliv). (Zdroj: výzkumné zprávy Air Liquide) laboratořích této společnosti byla vyvinuta a v praxi ověřena tříkomponentní směs ARCAL 10CU určená výhradně pro technologii MIG pájení pozinkovaných plechů. Tento ochranný plyn obsahuje vedle argonu jakožto základního prvku přídavek vodíku a oxidu uhličitého. Obsah vodíku ve výši 1 % minimalizuje tvorbu pórů ve spoji a díky redukčnímu účinku zbavuje tavnou lázeň oxidů. Obsah oxidu uhličitého je rovněž nízký pouze ve výši 0,5 %. Tato úroveň již postačuje ke stabilizaci oblouku (a tedy snížení rozstřiku), výhodnější energetické bilanci procesu a zároveň zajišťuje omezení pórovitosti a tvorby oxidických nehomogenit. Z tohoto pohledu je přídavek CO 2 oproti kyslíku výhodnější (viz. tabulka 3). Z hlediska přídavných materiálů byla vhodnost nové ochranné atmosféry ARCAL 10CU ověřena pro standardní pájky CuSi3 a CuAl8, ve zkratovém, stejně jako v impulsním procesu. Vliv složení ochranné atmosféry na mechanické vlastnosti spoje není v případě běžně používaných směsných plynů zásadní. Podstatnější z tohoto pohledu je vliv přídavného materiálu a úroveň jeho promísení s materiálem základním, viz. dále. θ 100% argon θ ARCAL 10CU Obrázek 2: Makrovýbrusy spojů. Základní materiál tl. 1,5 mm, tloušťka povlaku Zn 10µm, přídavný materiál CuAl8 Vyhodnocení vlivu ochranného plynu na smáčivost pájky je možno snadno provést na základě makrovýbrusů spojů viz obrázek 2. Malý úhel smáčení má pozitivní vliv na zabíhavost pájky, vnější tvar housenky zvyšuje dynamickou pevnost spoje a v neposlední řadě menší úhel Θ znamená úsporu přídavného materiálu. ARCAL 10CU je při MIG pájení vhodné nasadit především v komplikovaných případech, které není možno zvládnout pomocí čistého argonu nebo jiné směsi. Jedná se o případy, kdy je obtížné dosáhnout stabilního procesu s nízkým rozstřikem, jako například při zamaštění základního materiálu v průběhu předcházející operace (např. tažení), při proměnlivé tloušťce zinkového povlaku nebo v případě speciálních požadavků na homogenitu spoje nebo při požadavku na extrémně vysoké rychlosti svařování. Při tloušťce vrstvy zinku vyšší než 20µm (např. výroba ocelových konstrukcí) může ARCAL 10CU celý proces výrazným způsobem zlepšit. Vhodnost použití konkrétní ochranné plynné atmosféry je ale v každém případě vhodné přezkoušet v daných technologických podmínkách konkrétního pracoviště. Při použití tradičního dvousložkového plynu na bázi Ar O 2 (99% argonu + 1% kyslíku) se dosahuje dobrého výsledku ohledně stability oblouku i smáčivosti, nevýhodou je zvýšený odpar zinku a deformace plechu z důvodu vyššího tepelného příkonu.

Přídavné materiály Přídavné materiály - pájky jsou tvořeny slitinami na bázi mědi s různými legujícími přísadami, např. křemíkem (Si), hliníkem (Al), cínem (Sn), zinkem (Zn) a manganem (Mn). Bronzové přídavné materiály mají díky vysokému obsahu mědi relativně nízkou teplotu tavení (v závislosti na legujících složkách v rozsahu 890 až 1080 C, viz. tab. 4). Teplota tavení těchto pájek je tedy nižší než u základního materiálu (nelegovaná ocel). Nejčastěji jsou používány tažené dráty na bázi mědi s obsahem křemíku (CuSi3) nebo hliníku (CuAl8), viz. také tabulka 4. OZNAČENÍ TEPLOTA TAVENÍ [ C] MEZ KLUZU RP0,2 [MPA] MEZ PEVNOSTI RM [MPA] TAŽNOST A5 [%] SG-CuSi3 910-1025 250 380 46 L-CuSi2Mn 1030-1060 > 80 290-340 45 SG-CuSn10SiMn 887-1020 240 > 350 15 SG-CuSn 1020-1050 230 > 340 25 Použití přídavných materiálů na bázi mědi s sebou přináší následující výhody:! protikorozní ochrana svarové housenky! nízký rozstřik! malý opal zinkové vrstvy! minimální množství vneseného tepla malé deformace! jednoduché následné opracování spoje díky katodické ochraně zamezena koroze i v místě odpaření zinkové vrstvy SG-CuAl8 1030-1040 180 380 450 40 SG-CuAl8Ni2 1030-1050 290 530-590 > 30 SG-CuAl8Ni6 1015-1045 400 > 700 15 SG-CuAl5Mn1Ni1 1043-1074 430 35 SG-CuMn13Al7 945-985 400 650 10 Tabulka 4: MIG pájení - používané typy přídavných materiálů. (Zdroj: DVS-Merkblatt Lichtbogenlöten ) Pájka CuSi3 má tekutější tavnou lázeň. Zabíhavost je lepší a housenka je obvykle širší. Vzhledem k nižšímu rozsahu teplot tavení a elektrické vodivosti jsou spojované díly méně tepelně zatíženy. Na druhé straně se v případě CuSi3 projevuje silnější tendence k vytváření pórů. Hodnoty nominálních mechanických vlastností různých typů přídavných materiálů jsou uvedeny v tabulce 4. Vliv promíšení základního a přídavného materiálu na mechanické vlastnosti spoje U nejběžnější konstrukce spoje tenkých plechů (přeplátovaného) není u hlubokotažných plechů při provádění tahové zkoušky a zkoušky střihem při použití CuAl8 a CuSi3 prakticky žádný rozdíl. Testované vzorky (dle ČSN EN 895) vykazují při správně provedeném spoji praskliny v základním materiálu, a to bez výjimky. Obrázek 3: Destruktivní zkouška. Vlevo schéma uspořádání, uprostřed výsledek CuAl8, vpravo výsledek CuSi3.

V některých případech (někteří výrobci automobilů) jsou předepsány specifické zkoušky mechanických vlastností, např. zkouška na odtržení (obrázek 3). Výsledky takové zkoušky pak vykazují zásadní rozdíly při použití různých typů přídavných materiálů. V rámci vývojových prací byly zkoumány výsledky na vzorcích spojovaných ve zkratovém a pulzním procesu, s použitím přídavných materiálů CuAl8 a CuSi3. Jako ochranné atmosféry bylo použito dvou různých plynů: ARCAL 1 (100 % argon) jako standardní plyn a směs ARCAL 21 (M21), která je běžně používaná pro svařování v automobilovém průmyslu. Tloušťka plechu: 1,2 mm, vrstva zinku: 10µm. Obrázek 4 ukazuje, že pevnost obou spojovacích materiálů je do značné míry nezávislá na použitém ochranném plynu. V zásadě všechny testovací vzorky CuAl8 prasknou v základním materiálu, všechny Obrázek 4: Pevnost v tahu testovaných vzorků testovací vzorky s CuSi3 prasknou ve svarovém spoji. Přenesené namáhání je podstatně nižší při použití impulsního oblouku. Příčinou těchto destrukcí je promísení základního a přídavného materiálu (2). Při spojování MIG pájením nejsou stanoveny žádné obecné hodnoty ohledně maximálního obsahu základního materiálu v pájce (metoda MIG pájení není normována). Často se vyžaduje maximální úbytek základního materiálu menší než dvě třetiny tloušťky horního plechu. Např. při jiné technologii - nanášení vrstev odolných proti opotřebení pájením se počítá s maximálním promíšením 5 %. Reálnou úroveň promíšení lze zjistit například pomocí mikroanalýzy provedené na makrovýbrusu pomocí scanovacího elektronového mikroskopu (obrázek 5). Obrázek 5: Měření obsahu železa v pájce Je možno dojít k následujícímu zjištění:! Všechny kombinace uvedené na obrázku 4 překračují promíšení 10 % Fe v kovu pájky, což platí pro materiály CuSi3 i CuAl8.! Typ oblouku je velmi důležitý. U zkratového oblouku je obsah železa přibližně 10 %, u pulzního až 25 %.! Ve spoji je možno najít vyšší koncentraci Fe v bodech 1 a 6 (obr. 5), tedy poblíž nejintenzivněji nataveného horního rohu horního plechu. Co se týče vlivu na mechanické vlastnosti, je možno dojít k následujícímu závěru: Materiál CuAl8 způsobuje menší zkřehnutí při stejném stupni promíšení. To je možno vysvětlit rozložením železa ve struktuře pájky. Železo vytváří zřetelnou dendritickou strukturu. V oblasti rozhraní základní materiál pájka je možno pozorovat ve struktuře tmavý pruh s vysokým obsahem železa (obrázek 6). Při spojování pájkou CuSi3 dochází na Obrázek 6: Struktura pájeného spoje s CuAl8. Vpravo rozhraní pájka - základní materiál. hranici mezi základním a přídavným materiálem k precipitaci železa ve formě kulovitých shluků, v důsledku čehož je vytvářeno trojvrstvé rozhraní se specifickými

vlastnostmi (viz. obrázek 7). Na styku se základním materiálem viz. 1 na obr. 7 je vytvářena vrstva s vysokým obsahem mědi. S ní hraničí širší pásmo 2 s vyšším obsahem železa, které sousedí s rozhraním 3 s velmi vysokým obsahem železa. První vrstva 1 bohatá na měď je náchylná k iniciaci trhlin. To má za následek typické praskání materiálu CuSi3. Trhliny se tvoří ve směru namáhání Obrázek 7: Struktura pájeného spoje s CuSi3. Vpravo rozhraní pájka - základní materiál. mezi plechy na pájkou smáčeném povrchu a šíří se dále pájkou až po destrukci spoje (obrázek 3 zcela vpravo). Významný vliv na praskavost v důsledku promíšení má rovněž tloušťka spojovaných plechů a tvar housenky. I když je oblast přechodu housenky do materiálu upravena, lze u silnějších plechů zaznamenat při zvyšujícím se ohybovém namáhání poškození. Významný rozdíl mezi pevností spojů provedených pomocí CuSi3 nebo CuAl8 je patrný na plechu o tloušťce větší, než 1,2 mm. Shrnutí Protikorozní ochrana žárovým pozinkováním se dnes řadí mezi nejpoužívanější metody povlakování ocelí. Pájení tenkých pozinkovaných plechů metodou MIG ve směsných ochranných plynech s malými podíly aktivních složek vykazuje ve srovnání s konvenčním MAG svařováním řadu výhod, které tuto metodu činí atraktivní jako alternativní techniku spojování tenkých plechů obecně a pokovených plechů zvlášť. Jelikož je ochranná zinková vrstva díky výrazně menšímu energetickému vstupu méně ovlivňována, resp. méně poškozována, samotná pájená housenka tvořená slitinou mědi rovněž za běžných podmínek nekoroduje a tepelně ovlivněná oblast spoje je chráněna katodickým účinkem zinku, představuje využití MIG pájení důležitý příspěvek k dosažení účinné protikorozní ochrany v mnoha oblastech. L ITERATURA: (1) ROUBÍČEK M.: PROBLEMATIKA SPOJOVÁNÍ POZINKOVANÝCH OCELÍ, SEMINÁŘ NOVÉ MATERIÁLY, TECHNOLOGIE A ZAŘÍZENÍ PRO SVAŘOVÁNÍ, OSTRAVICE, ŘÍJEN 2003 (2) OPDERBECKE T., FORTAIN J.M.: NEW SOLUTIONSFOR THIN-SHEET WELDING ON GALVANIZED SHEET (3) METAL IN AUTOMOBILE CONSTRUCTION BY ARC WELD-BRAZING AND WE LIQUIDE AIR LIQUIDE: OCHRANNÉ PLYNY PRO MIG/MAG SVAŘOVÁNÍ LDING, FIREMNÍ PODKLADY AIR