Spawanie aluminium metodą TIG oraz MIG – poradnik

Aluminium jest drugim pod względem częstotliwości zastosowania stopem na świecie. Jego gęstość jest trzy razy mniejsza od gęstości żelaza. Do najważniejszych jego zalet, oprócz niewielkiej wagi i dużej wytrzymałości należą: mały ciężar oraz odporność na rdzę.

Oprócz właściwości antykorozyjnych aluminium charakteryzuje się też niską temperaturą topnienia i dobrym przewodnictwem elektrycznych. Nic więc dziwnego, że coraz więcej osób chce spawać aluminium. – jego szerokie zastosowanie odnotowuje się w sektorach: spożywczym, samochodowym, lotniczym, w budownictwie jak również w przemyśle elektrotechnicznym. Zdecydowanie największą rolę aluminium i jego stopy odgrywają w przemyśle motoryzacyjnym.

Umieszczenie aluminiowych elementów w pojazdach sprawia, iż są one dużo lżejsze niż wykonane z innych metali, dzięki czemu masa pojazdu jest niższa, co przekłada się na oszczędniejsze zużycie paliwa i mniejsze emitowanie CO2 do atmosfery.

Metody spawania aluminium

Przy wyborze metody spawania aluminium musimy wiedzieć, iż cały proces zależy nie tylko od umiejętności spawacza, ale także od grubości spawanego materiału. Różne rodzaje spawania mogą dać zupełnie odmienne od siebie efekty.

Generalnie mamy dwie metody spawania aluminium – MIG (z ang. Metal Inert Gas) oraz TIG (z ang. Tungsten Metal Gas). Wybór którejś z tych metod uzależniony jest przede wszystkim od grubości metalu, który chcemy spawać. Spawanie aluminium metodą MIG wykorzystywane jest w przypadku materiału grubszego niż 1mm. Im większa średnica drutu, tym grubsze powinny być stopy aluminium, jakie chcemy spawać.

Spawanie metodą TIG AC w osłonie obojętnego gazu jest najpopularniejszym sposobem, stosowanym szczególnie do cienkiego aluminium. Jakim gazem spawać aluminium? Gaz osłonowy, jaki przy obu metodach jest wykorzystywany to argon – pozwala on na znaczne obciążenie prądowe. Jeśli wybieramy spawarkę TIG, będziemy musieli wyposażyć się w nietopliwą elektrodę, zwaną również elektrodą wolframową.

Proces spawania aluminium – jak spawać aluminium?

Podczas spawania aluminium należy uwzględnić reakcję metalu z tlenem i powstający wtedy w szybkim tempie tlenek. Należy pamiętać o tym, że tlenek jest twardy i charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia (około 2050 °C), w związku z czym łatwo może spowodować wady spoiny. Tlenek jest cięższy niż roztopiony metal i może w nim tworzyć wtrącenia.

Dlatego też spawając aluminium właściwe przygotowanie jest kluczowe – należy najpierw usunąć warstwę zanieczyszczeń metalu ze spajanych powierzchni. Do czyszczenia aluminium z tlenków wykorzystuje się szczotkę ze stali nierdzewnej i specjalne środki chemiczne, dzięki czemu zmniejszymy ryzyko powstawania porów.

Właściwości i gatunki aluminium do spawania oraz jego stopy można podzielić na dwie grupy pod względem spawalności:

● materiały odpowiednie do spawania – Al, stopy AlMn, AlMg, AlSi

● stopy trudne do spawania – stopy AlCuMg, AlMgSi, AlZnMg

Na spawanie aluminium i jego stopów główny wpływ będzie miał ich skład chemiczny, własności mechaniczne i fizyczne. Podstawowym problemem przy spawaniu jest konieczność usunięcia warstwy tlenku aluminium. Problemy spawalnicze może sprawić również duża różnica temperatur topnienia Al i Al₂O₃ (odpowiednio 660 i 2060°C), a także większy ciężar właściwy tlenku (4 g/cm³) od ciekłego metalu (2,4 g/cm³). W rezultacie cząstki Al₂O₃ opadają na dno spoiny, powodując jej porowatość.

Kolejny problem, jeżeli chodzi o spawanie aluminium stanowi duża przewodność cieplna aluminium, która z jednej strony utrudnia miejscowe nagrzanie metalu do temperatury topnienia, a z drugiej powoduje szybkie chłodzenie materiału – w wyniku tego w spoinie powstają wysokie naprężenia spawalnicze, mogące z łatwością doprowadzić do zniszczenia połączenia.

Wysokie przewodnictwo cieplne aluminium powoduje konieczność zwiększenia energii liniowej spawania. W konwencjonalnych metodach spawania stopów aluminium (MIG, TIG) prowadzi to do powstawania szerokiej strefy wpływu ciepła wokół spoiny.

Negatywnie wpływa ma również niska wytrzymałość aluminium w temperaturach wyższych od ok. 500°C, powodująca występowanie pęknięć gorących, a także duża rozszerzalność cieplna skutkująca powstawaniem znacznych pęknięć spoin.

Z powodu braku zmiany barw przejściowych przy podgrzewaniu aluminium trudno jest określić stopnień nagrzania metalu i bliskości punktu topienia – to znacznie utrudnia wykonanie prawidłowego złącza.

Spawarka TIG do spawania aluminium

Do spawania aluminium najczęściej wykorzystywane są spawarki TIG. Jest to metoda spawania łukowego w osłonie gazu, jest ona gwarancją otrzymania spoin najwyższej jakości. W przypadku tej metody, cały proces przeprowadzany jest przez nietopliwą oraz odporną na temperaturę elektrodę wolframową, przy której udziale wytwarzany jest łuk spawalniczy rozgrzewający i upłynniający aluminium. 

Gazem osłonowym stosowanym najczęściej jest argon o wysokiej czystości lub mieszanki argonowo – helowe. Czysty hel stosuje się do spawania automatycznego prądem stałym z biegunem ujemnym na elektrodzie.

Natężenie prądu dobierane jest do grubości materiału tak jak średnice dyszy i przepływ gazu. Średnica elektrody wolframowej dobierana jest tak, aby na 1 mm przypadał prąd 40 amper. Średnica prętu spawalniczego powinna odpowiadać średnicy elektrody do spawania.

Podczas spawania blach cienkich w pozycji podolnej niskimi natężeniami prądu korzystne jest rozgrzanie elektrody wolframowej poprzez zajarzenie łuku na płytce grafitowej, a następnie przeniesienie łuku na elementy spawane.

Stopiwo doprowadza się do jeziorka spawalniczego przez dosuwanie drutu ruchem skokowo – wstecznym. Polega to na dosuwaniu pręta do jeziorka a następnie, po stopieniu końca pręta, odsunięciu go na taką odległość, aby koniec znajdował się poza strefą najwyższej temperatury.

Technika spawania grubszych elementów aluminiowych w pozycji podolnej, nieco się różni. Większe natężenie prądu spawania sprawia, że podmuch łuku spawalniczego jest znacznie silniejszy i jeziorko spawalnicze jest również większe. Każde wprowadzenie drutu w strefę łuku spawalniczego powoduje jego silne zaburzenie, pryskanie ciekłego metalu oraz zetknięcia aluminium z wolframem co skutkuje przerwaniem spawania.

Należy zachować ciągłość przechodzenia stopiwa do jeziorka spawalniczego. Drut powinien być nachylony do elementu pod bardzo małym kątem. Zależnie od grubości spawanych elementów wykonuje się spoiny jedno lub wielowarstwowe. Do grubości 6 mm można wykonać spoiny jednowarstwowe, powyżej tej grubości wykonuje się spoiny wielowarstwowe.

Spawanie powierzchni aluminium migomatem

Metoda spawalnicza MIG polega na spawaniu z zastosowaniem podobnego, obojętnego gazu osłonowego, czyli na przykład helu lub argonu. Spawanie odbywa się przy pomocy łuku elektrycznego, wytwarzanego między topliwą elektrodą, a częścią spawanego aluminium. 

Wytworzone w ten sposób spoiny są dobrej jakości, spawanie jest wydajne, a koszty spawania są niewielkie. W spawaniu MIG, w zależności od parametrów prądu, możemy rozróżnić metodę zwarciową i metodę natryskową. W przypadku spawania aluminium natężenie prądu nie musi być bardzo wysokie, aby przenoszenie kropli miało charakter natryskowy, ponieważ temperatura topnienia jest dużo niższa w porównaniu do stali.

Pierwszą rzeczą od której musimy zacząć w przypadku spawania aluminium migomatem jest wymiana wkładu w uchwycie ze standardowego metalowego na teflonowy. Taki rodzaj wkładu poprawi przesuwanie się drutu aluminiowego w uchwycie i zapobiegnie jego odkształceniu.

To samo tyczy się rolek w podajniku, konieczna jest ich wymiana na takie których kształt rowków przypomina literę „U” – to również ma na celu ograniczenie odkształceń jakie mogą powstać na drucie spawalniczym.

Aby mieć pewność że drut będzie precyzyjnie podawany w miejscu spawania, nasze urządzenie powinno być wyposażone w 4-rolkowy mechanizm podawania drutu. Po zainstalowaniu drutu w uchwycie należy wymienić końcówkę prądową na taką z oznaczeniem „A” do spawania aluminium – ze względu na rozszerzanie się aluminium podczas nagrzewania.

Nowoczesne urządzenia spawalnicze dają nam też możliwość spawania prądem pulsującym, jest to funkcja, która będzie przydatna przy spawaniu cienkich elementów aluminiowych. Do spawania aluminium należy wykorzystywać argon jako gaz ochronny oraz podgrzać materiał przed spawaniem. Podgrzewanie materiału nie jest konieczne jeśli jako gaz ochrony wykorzystamy mieszankę Ar+ (50÷75%) He, ponieważ Hel podnosi moc cieplną łuku. Ostatnia rzeczą jaka należy wykonać przed rozpoczęciem spawania jest odpowiednie wyczyszczenie materiału.

Najpierw należy odtłuścić spawana powierzchnie wykorzystując do tego na przykład benzynę ekstrakcyjną a w kolejnym kroku usunąć powłoki tlenków za pomocą szczotki ze stali nierdzewnej. Metoda MIG umożliwia podczas spawania uzyskanie głębokiego przetopu, dlatego blachy o grubościach do 6 mm nie wymagają ukosowania.

Należy jedynie pozostawić około 1 mm odstępu między krawędziami. W granicach 6−15 mm krawędzie blach ukosuje się na V (kąt 70°) , przy czym próg powinien wynosić 2−5 mm, a odstęp między krawędziami 1−2 mm. Gdy istnieje możliwość dwustronnego spawania, blachy o grubościach powyżej 15 mm należy ukosować na X (kąt 70°) z 2−3-milimetrowym progiem. Poza koniecznością ukosowania krawędzi blach wymagane jest także dokładne ich odtłuszczenie i oczyszczenie.

Tak przygotowany materiał da nam pewność poprawnie wykonanego połączenia pozbawionego wad.

Spawanie zwarciowe jest bardziej przydatne podczas spawania cienkich blach, a także podczas spawania w pozycjach przymusowych. Do grubości 25 mm stosujemy 100% argon, przy grubościach blachy 25-50 stosujemy argon z 10-35% helu, a przy grubościach powyżej 50 mm stosuje się mieszankę argon z 35-70% helu.

Ze względu na dużą przewodność cieplną aluminium w stosowaniu w mieszankach helu o dużej energii jonizacji, prądy spawania są podobne jak przy spawaniu stali lecz napięcia łuku są większe. Temperatura topienia aluminium jest mniejsza, w celu utrzymania odpowiedniego przekroju ściegu prędkości spawania są znacznie wyższe. Dzięki wprowadzeniu funkcji spawania pulsacyjnego w urządzeniach spawalniczych, udało się uzyskać niezawodność złączy taka jak w metodzie TIG oraz zmniejszyć ryzyko wystąpienia pęknięć gorących.

Jakie grubości spawanego materiału w metodzie MIG?

Niezależnie od grubości łączonych krawędzi najkorzystniej jest spawać od strony lewej do prawej. Uchwyt spawalniczy powinien być ustawiony prawie prostopadle do blach (kąt odchylenia uchwytu nie większy niż 10−20°). Spawać należy bez przerw i możliwie krótkim łukiem (odległość dyszy gazowej pistoletu od materiału nie powinna przekraczać 10-15 mm). Stosując tę metodę, można spawać w pozycjach poziomej, pionowej i naściennej. Dzięki dużej szybkości procesu jest to obecnie najbardziej ekonomiczna z metod spawania.

Metoda MIG MAG kiedyś była wykorzystywana wyłącznie do połączeń mniej odpowiedzialnych, ze względu na mikroporowatość spoin, a tym samym spadek wytrzymałości. Dzięki nowoczesnym urządzeniom spawalniczym oraz coraz lepszym jakościowo materiałom obecnie połączenia wykonane migomatami są wystarczająco dobre pod względem wytrzymałościowym.

Zarówno spawanie półautomatyczne, jak i automatyczne umożliwia wykonywanie spoin we wszystkich pozycjach, włącznie z pozycją pionową i naścienną.

Zobacz inne ciekawe artykuły z naszego bloga spawalniczego:

– Spawanie ocynku – wszystkie najważniejsze informacje dotyczące spawania ocynku

– Spawanie mosiądzu – wszystkie najważniejsze informacje dotyczące spawania tego metalu

– Spawanie elektrodą – wszystkie najważniejsze informacje dotyczące spawania elektrodą MMA

– Spawarki inwertorowe – wszystko o spawarkach inwertorowych

– Cykl pracy spawarki – wszystko o cyklu pracy spawarek inwertorowych

– Agregaty prądotwórcze – wszystko o agregatach prądotwórczych do spawarek inwertorowych

– Spawanie nierdzewki migomatem – wszystko o spawaniu kwasówki

– Szkodliwość spawania TIGiem – dowiedz się, dlaczego metoda TIG jest uważana za szkodliwą

– Spawanie migomatem – wszystko o spawaniu MIG/MAG