Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
RENOVACE STROJNÍCH SOUČÁSTÍ ZE SLITIN HLINÍKU Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc. Brno 2008
Bc. Lukáš Aubrecht
Děkuji doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. za všestrannou pomoc a odborné konzultace, které mi poskytl při vypracovávání této diplomové práce. Dále děkuji panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. praktické části.
za výpomoc a odborné konzultace při vypracování
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: „Renovace strojních součástí ze slitin hliníku“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.
V Brně, dne 21. 5. 2008 Podpis ……………………………….
Anotace Předložená diplomová práce se zabývá možnostmi a způsoby renovací strojních součástí z hliníkových slitin. Jsou zde stručně uvedeny příčiny degradace strojních součástí, popsána problematika týkající se samotného hliníku a jeho slitin, vysvětleny základní pojmy týkající se renovace, dále jsou popsány způsoby jednotlivých možností renovací se zaměřením na ty nejčastěji používané u hliníku a jejich slitin. Pozornost je zde hlavně věnována svařování, které v tomto odvětví představuje největší podíl na renovacích. Jako další možnosti renovací strojních součástí ze slitin hliníku jsou zmíněny metody Metallock, Masterlock a renovace poškozených závitů. Okrajově je také zmíněna problematika obrábění soustružením hliníkových slitin a možnosti použití mikroleštěných nástrojů pro zlepšení procesu obrábění. V experimentální části diplomové práce jsou zkoumány a testovány vzorky svařených hliníkových plechů. První část se zabývá aplikací testu na zjištění složení základního materiálu. V druhé části je provedeno vyhodnocení svarů na základě metalografie daných vzorků. Klíčová slova: Hliník, svařování, přídavný materiál, renovace, metalografie, Annotation This final-year dissertation deals with the possibilities and various ways of overhaul of alluminium alloy machinery components. It briefly states the causes of machinery component degradation, mentions the problems of alluminium itself and its alloys, explains the basic terms concerning the overhaul, describes the individual overhaul procedures with main attention given to those most frequently used with alluminium and its alloys. Special regard is paid to welding, which accounts for the highest number of overhauls in this branch. As further possibilities of alluminium alloy machinery components overhaul the Metallock and Masterlock methods are mentioned, as well as the overhaul of damaged threads. The topics of alluminium alloy turning machining and usage of microcleaned instruments for improvement of the machining procedure are also marginally mentioned. In the practical part of the dissertation, samples of welded alluminium sheets are examined and tested. The first part deals with the application of the test for basic material composition analysis. In the second part, metalography of the welds of the given samples is carried out. Key words: Alluminium, welding, filler material, overhaul, metallography,
OBSAH 1. Úvod.............................................................................................................................. 8 2. Cíl práce ........................................................................................................................ 9 3. Základní pojmy a definice ............................................................................................ 9 4. Degradace strojních součástí....................................................................................... 10 4. 1. Opotřebení........................................................................................................... 11 4. 2. Koroze................................................................................................................. 11 4. 3. Otlačení ............................................................................................................... 12 4. 4. Deformace........................................................................................................... 12 4. 5. Trhliny a lomy..................................................................................................... 12 4. 6. Ostatní poškození součástí.................................................................................. 12 5. Hliník .......................................................................................................................... 13 5. 1. Výroba................................................................................................................. 13 5. 2. Slitiny hliníku...................................................................................................... 13 5. 3. Využití hliníku a jeho slitin................................................................................. 14 5. 4. Metalurgicko - fyzikální vlastnosti hliníku a jeho slitin ..................................... 14 5. 5. Mechanické vlastnosti........................................................................................ 15 5. 6. Rozdělení hliníkových slitin ............................................................................... 16 5. 6. 1. Slévárenské slitiny ...................................................................................... 16 5. 6. 2. Tvářené slitiny ............................................................................................ 16 6. Možnosti renovace strojních součástí ......................................................................... 17 6. 1. Renovace součástí jejich opracováním na opravné rozměry .............................. 18 6. 2. Renovace opotřebených součástí na původní rozměry....................................... 19 6. 2. 1. Možnosti renovací na původní rozměr ....................................................... 19 6. 2. 2 Navařování a svařování opotřebených součástí........................................... 19 6. 2. 3. Způsoby navařování a svařování v renovaci součástí................................. 19 6. 2. 4. Problematika svařování hliníku .................................................................. 20 6. 2. 5. Jednotlivé způsoby nejčastěji používaných technologií svařování a navařování hliníkových slitin.................................................................................. 21 6. 2. 5. 1. Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou............................... 21 6. 2. 5. 2. Svařování v ochranné atmosféře plynů............................................... 22 6. 2. 5. 3 Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu ....... 23 6. 2. 5. 4. Svařování třením................................................................................. 25 6. 2. 5. 5. Plazmové svařování hliníkových součástí .......................................... 26 6. 2. 5. 6. Svařování laserem............................................................................... 27 6. 2. 5. 7. Plamenové svařování .......................................................................... 28 6. 2. 5. 8. Svařování hliníku a jeho slitin tlakem za studena............................... 29 6. 3. Renovace deformovaných součástí..................................................................... 29 6. 4. Renovace součástí s lomy a trhlinami................................................................. 30 6. 4. 1. Renovace součástí s lomy a trhlinami metodou Metallock ........................ 30 6. 4. 2. Renovace součástí s lomy a trhlinami metodou Masterlock....................... 31 6. 5. Renovace jinak poškozených součástí ................................................................ 34 6. 5. 1. Renovace závitů .......................................................................................... 34 6. 5. 1. 1. Renovace vnějších závitů.................................................................... 34 6. 5. 1. 2. Renovace vnitřních závitů................................................................... 34 6. 5. 2. Renovace pomocí lepidel............................................................................ 36 6. 5. 2. 1. Metal bonding hliníkových slitin ........................................................ 37 6. 6. Obrábění hliníku a jeho slitin.............................................................................. 40 7. Experimentální část..................................................................................................... 42 7. 1. Určení hliníkové slitiny základního materiálu (plechů)...................................... 42
7. 1. 1. Metodika ..................................................................................................... 42 7. 1. 2. Výsledky testu............................................................................................. 46 7. 2. Vyhodnocení kvality svarů pomocí metalografie ............................................... 46 7. 2. 1. Metodika metalografie svarů ...................................................................... 47 7. 2. 2. Výsledky metalografie svarů ...................................................................... 53 8. Závěr ........................................................................................................................... 54 9. Použitá literatura: ........................................................................................................ 56
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. č. 1. Rozdělení hliníkových slitin ........................................................................... 16 Obr. č. 2. Obloukové svařování obalenou elektrodou .................................................... 21 Obr. č. 3. Svařování v ochranné atmosféře MIG/MAG.................................................. 23 Obr. č. 4. Svařování metodou TIG/WIG......................................................................... 24 Obr. č. 5. Svařování třením............................................................................................. 25 Obr. č. 6. Plazmové svařování ........................................................................................ 26 Obr. č. 7. Svařování laserem........................................................................................... 28 Obr. č. 8. Trhlina opravená metodou Metallock ............................................................. 31 Obr. č. 9. Svorka Metallock ............................................................................................ 31 Obr. č. 10. Oprava metodou Masterlock......................................................................... 32 Obr. č. 11. Oprava závitu pomocí závitové vložky HeliCoil.......................................... 35 Obr. č. 12. Závit před renovací ....................................................................................... 36 Obr. č. 13. Závit po renovaci .......................................................................................... 36 Obr. č. 14. Vznik bublin cca 15 sekund po nanesení 15% roztoku hydroxidu sodného. 43 Obr. č. 15. Zvětšování bublin vlivem chemické reakce.................................................. 43 Obr. č. 16. Samovolné praskání bublin........................................................................... 44 Obr. č. 17. Pátá minuta testu (těsně před oplachem) ...................................................... 44 Obr. č. 18. Testovaný povrch po oplachu ....................................................................... 45 Obr. č. 19. Testovaný povrch po osušení........................................................................ 45 Obr. č. 20. Testovaný povrch po půl hodině po osušení................................................. 46 Obr. č. 21. Přídavný materiál .......................................................................................... 47 Obr. č. 22. Jednostranný koutový svar............................................................................ 48 Obr. č. 23. Neprovařený kořen jednostranného koutového svaru................................... 49 Obr. č. 24. Vznik vad ve svaru........................................................................................ 49 Obr. č. 25. Oboustranný koutový svar ............................................................................ 50 Obr. č. 26. Detail neprovařeného kořene svaru .............................................................. 50 Obr. č. 27. Trhliny v základním materiálu v blízkosti svaru .......................................... 51 Obr. č. 28. Svar I ( na tupo) ............................................................................................ 51 Obr. č. 29. Vady v I svaru.............................................................................................. 52 Obr. č. 30. Přeplátovaný svar.......................................................................................... 52 Obr. č. 31. Detail nepromísení svarového kovu a základního materiálu ........................ 53 Obr. č. 32. Detail částečného promísení svarového kovu a základního materiálu ......... 53
1. Úvod V současnosti, při konstrukci složitých a moderních technologických celků, se usiluje především o snížení jejich hmotnosti s ohledem na jejich zatížení. Tyto požadavky vedou ke stále častějšímu používání hliníkových slitin, které vhodným legováním a tepelným zpracováním začínají dosahovat vlastnosti ocelí a svojí hmotností výrazně snižují ekonomiku provozu konstrukcí. Hliník a jeho slitiny se používají tam, kde je potřeba zajistit nízkou hmotnost, poměrně vysokou pevnost a dostatečnou kvalitu provedení. Hliník též oplývá dobrou korozní odolnost, což výrazně upřednostňuje jeho použití v daných situacích. Většina výrobků z hliníku a jeho slitin se vyrábí tvářením a litím, i přes to se u větších konstrukčních celků z důvodu složitosti vyhotovení konstrukce uplatňuje proces svařování jednotlivých jednodušších dílů do celku. [3] Svařování hliníku a jeho slitin doprovází určitá problematika, která bude probrána níže. Nejčastější osvědčená metoda tavného svařování je metoda WIG (TIG) a MIG. Modernější metodou je svařování plazmou (PAW) a třením (FSW). Při svařování je potřeba též volit vhodný přídavný materiál a to nejlépe stejného nebo podobného složení jako základní materiál. Doporučuje se požívat přídavný materiál s větším množstvím prvku jako křemíku (Si) a manganu (Mn) za účelem zabránění vstupu svarového kovu do oblastí náchylných k praskání. Přes spoustu možností svařování hliníku stále existují slitiny, u kterých se svařování nedoporučuje. Stále zvětšující se výskyt součástí z hliníku a jeho slitin vede k rozšiřování odvětví zabývající se renovací těchto materiálů. Nejčastějším a nejpoužívanějším způsobem renovace hliníku je bezesporu svařování. Je to proces, který se může používat jak v sériích při automatizované výrobě, tak i kusové výrobě. Velkou výhodou je potom použití svařovací techniky přímo tam, kde je potřeba a to i v terénu, nebo tam, kde není možné zajistit přemístění poškozené součásti přímo na místo renovace. V renovacích strojních součástí z hliníku a jeho slitin existují i další možnosti renovace a to možnosti s tepelným ovlivněním základního materiálu jako navařování, natavování přídavného materiálu, rovnání ohybem za tepla nebo bez tepelného ovlivnění jako lepení, tmely, nástřik roztaveného kovu, tváření, rovnání ohybem za studena, renovace trhlin pomocí metod Metallock a Masterlock, renovace závitů. Renovace se nemusí používat jen při navrácení provozuschopného stavu součásti. Její použití můžeme sledovat i u modernizací (zpevňování) strojních součástí.
8
Renovace má samozřejmě vliv i na ekonomiku provozu strojních celků. Důvod je jasný, renovovaná součást nejen, že získává zpět své funkční schopnosti, ale mnohdy i schopnosti lepší jak původní součást a to často za ceny nižší jak nové součásti.
2. Cíl práce 1. Cílem této diplomové práce je literární přehled o používaných postupech renovací strojních součástí ze slitin hliníku. Uvést novinky u některých z možností. 2. Provést test pomocí 15% roztoku hydroxidu sodného na určení složení základního materiálu vzorků. 3. Provést vyhodnocení svařených vzorků pomocí metalografie, vyhodnotit kvalitu svarů a určit složení přídavného materiálu.
3. Základní pojmy a definice - Strojní součást: je základní část strojírenského výrobku, zhotovená bez montážní operace, zpravidla z jednoho druhu materiálu. Vyrábí se tvářením, litím nebo obráběním a montuje se do montážních celků. Mezi součásti patří i výkovky, valivá ložiska, lana, řetězy, spínače a také výrobky zhotovené pájením, svařováním, lepením, šitím atd. Během svého působení prochází strojní součást několika etapami, z pohledu součástí základními (návrh konstrukce a technologie výroby, výroba, montáž, prvotní užití, případně renovace) a pomocnými (doprava, skladování, třídění). Jednou z těchto možných základních etap je renovace součástí, v jejímž rámci probíhají tyto hlavní procesy: hodnocení technického stavu součástí, návrh technologie součástí, vlastní renovace. Během svého působení se může strojní součást vyskytovat v různých stavech a její provoz mohou doprovázet různé jevy. - Bezvadný stav součásti: je stav, ve kterém se součást nachází, jestliže odpovídá všem požadavkům stanovených technickou dokumentací. - Provozuschopný stav součásti: je stav, ve kterém součást plní nebo je schopna plnit stanovené funkce a dodržuje parametry v mezích stanovených technickou dokumentací. - Poruchový stav součásti: je stav, ve kterém není součást schopna plnit požadovanou funkci v mezích stanovených technickou dokumentací. - Mezní technický stav součásti: je stav, ve kterém další použití součásti je nepřípustné nebo neúčelné. Po dosažení tohoto stavu je možná renovace, která je omezená pouze ekonomickou účelností.
9
- Mezní fyzický stav součásti: je stav, ve kterém součást není schopna vykonávat požadovanou činnost. Její renovace může být přitom reálně nemožná, například pro ztrátu pevnosti materiálu v důsledku nevratných dějů únavových stárnutí materiálu, mezikrystalické koroze, tepelné degradace atd. - Závada: je jev spočívající v poškození součásti, který však neznamená ztrátu provozuschopnosti. - Porucha: je jev spočívající v ukončení provozuschopnosti součásti. - Technický život součásti: je doba provozu od začátku provozu do vzniku mezního stavu. - Doba provozu součásti: je míra množství vykonané užitečné práce. U součásti je touto mírou například počet otáček, počet zdvihů, počet ujetých km, počet zpracovaných hektarů, množství zpracovaného materiálu. -
Renovace
součástí:
je
soubor
činností,
prováděných
s
cílem
obnovení
provozuschopného nebo bezvadného stavu součásti a jejího technického života. A to tím, že se vrátí její parametry na úroveň odpovídající požadavkům technické dokumentace. [2]
4. Degradace strojních součástí Jestliže se k sobě přibližují povrchy dvou součástí, dochází k prvnímu dotyku povrchových ploch teoreticky ve třech bodech. V těchto bodech je skutečný měrný tlak tak veliký, že dochází k plastické deformaci a k odlamování částí povrchu (to vše samozřejmě v mikroskopických rozměrech). Důsledkem toho se dostávají do kontaktu další místa povrchu. Na plochách probíhají stejné děje tak dlouho, než skutečná plocha dotyku dosáhne takové velikosti, že měrný tlak už nevyvolává další plastické deformace. Dosažení tohoto rovnovážného stavu je závislé na více činitelích, zejména na vnějším zatížení a vlastnostech povrchových vrstev součástí. Při přibližování povrchů se porušuje celistvost adsorpční vrstvy i oxidové vrstvy a povrchy součástí přicházejí do přímého kovového kontaktu. To má za následek tvorbu mikrospojů. Při jejich následném rozrušování v důsledku relativního pohybu povrchů může docházet k oddělování kovových částic a přemísťování materiálu povrchů.
10
Různé kombinace vlastností strojních součástí, jejich provozního namáhání a dalších vlivů a procesů mají za následek vznik a rozvoj různých druhů degradace strojních součástí: -
opotřebení
-
koroze
-
otlačení
-
deformace
-
trhliny a lomy
-
ostatní poškození.
4. 1. Opotřebení Opotřebení je trvalá nežádoucí změna povrchu nebo rozměrů tuhých těles, vyvolaná vzájemným působením funkčních povrchů nebo funkčního povrchu a média, které opotřebení vyvolává. Opotřebení se projevuje odstraňováním nebo přemisťováním částic hmoty z povrchu součásti mechanickými účinky působících sil, doprovázenými někdy i jinými vlivy, např. chemickými nebo elektrochemickými. Opotřebení je podle ČSN 01 50 50 rozděleno na šest základních druhů: − adhezívní − abrazívní − erozívní − kavitační − únavové − vibrační. Uvedené druhy opotřebení představují základní případy. V technické praxi se obvykle jednotlivé druhy kombinují, jeden druh přechází v jiný, uplatňují se další vlivy, takže vzniká řada variant.
4. 2. Koroze Koroze je označována za nežádoucí trvalou změnu povrchu materiálu, způsobenou elektrochemickými a chemickými vlivy okolního prostředí. Podle mechanismu korozních procesů se koroze dělí na chemickou a elektrochemickou.
11
Chemická koroze se vyskytuje poměrně zřídka a to v případech kdy dochází k chemickým reakcím v nevodivém prostředí. Elektrochemická koroze se vyskytuje nejčastěji tam, kde se stýkají různé kovy a je přítomen elektrolyt (stačí vzdušná nebo kondenzační vlhkost).
4. 3. Otlačení Otlačením nazýváme trvalou nežádoucí změnu povrchu, způsobenou vnějšími silami.
K otlačení dojde tehdy, jestliže skutečný kontaktní tlak překročí mez kluzu
materiálu povrchové vrstvy. Objem materiálu se nemění, materiál neubývá, ale přemísťuje se a vytváří nerovnosti okolo místa působení tlaku. To způsobuje především změnu vůlí v daném spojení, čímž může docházet k větším rázům a tím i k opotřebení.
4. 4. Deformace Deformace je trvalá nežádoucí změna geometrického tvaru součásti vzniklá, vlivem působení nadměrných sil. Může se vyskytovat v různých formách (prohnutí, vyboulení, ovalita atd.). K deformaci součástí dochází tehdy, je – li překročena meze pevnosti materiálu.
4. 5. Trhliny a lomy Trhlina je porušení homogenity materiálu v části průřezu. Lom je porušení homogenity materiálu v celém průřezu a to vlivem působení vnějších nebo vnitřních napětí, které způsobují překročení meze pevnosti materiálu. Trhliny se nejčastěji vyskytují u odlitků, svařenců a u tepelně zpracovávaných součástí. Trhliny snižují pevnost součástí, působí netěsnosti a u namáhaných součástí vedou ke vzniku únavových lomů.
4. 6. Ostatní poškození součástí Mimo již uvedené zřetelné druhy degradací součástí též dochází i k poškozením méně zřetelným např.: - Stárnutí materiálu, což je souhrn vnitřních dějů v materiálu, vyvolaných střídavým provozním namáháním, střídáním teplot, metalurgickými pochody za nízkých teplot atd., které probíhají pozvolna v čase, bez ohledu na používání či nepoužívání součásti, a vedou k pozvolným změnám pevnosti, tvaru aj.
12
- Tepelná degradace materiálu, což je radikální změna fyzikálně-mechanických vlastností materiálu vyvolaná teplotou. Vyskytuje se zejména u plastů a kompozitů na bázi plastů. Uvedené typy poškození se v technické praxi často vyskytují v kombinaci, kdy postupem času přechází jedno poškození ve druhé. V konečném důsledku tedy mnohdy nelze jednoznačně určit druh jednotlivého poškození. Jestliže se však kromě vlastního poškození součásti vezmou v úvahu také provozní podmínky, ve kterých součást pracovala a celková doba jejího provozu, případně poznatky z provozu obdobných součástí či zařízení, lze s poměrně velmi dobrou pravděpodobností určit vlastní technickou příčinu selhání součásti a případně předejít jejímu opakování. [1]
5. Hliník Hliník byl objeven roku 1825 dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem. Neušlechtilý stříbřitě šedý, nestálý, kujný kov, elektricky velmi dobře vodivý. V přírodě se vyskytuje zejména ve formě sloučenin, nejznámější rudou je bauxit. Obvykle bývá doprovázen dalšími příměsemi na bázi oxidů křemíku, titanu , železa a dalších.
5. 1. Výroba Přestože hliník patří mezi jedny z prvků, které jsou nejvíce zastoupené v zemské kůře, patřila jeho průmyslová výroba ještě do nedávné doby k velmi obtížným procesům. Je to především z toho důvodu, že elementární hliník nelze jednoduše metalurgicky vyredukovat z jeho rudy jako např. železo koksem ve vysoké peci. Teprve průmyslová elektrolýza taveniny kovových rud umožnila současnou mnohasettunovou roční produkci čistého hliníku. Při elektrolýze se z taveniny směsi předem přečištěného bauxitu a kryolitu o teplotě asi 950 °C na katodě vylučuje elementární hliník, na grafitové anodě vzniká kyslík, který ihned reaguje s materiálem elektrody za vzniku toxického plynného oxidu uhelnatého, CO. [6]
5. 2. Slitiny hliníku Nejvýznamnější použití hliníku je ve formě slitin, z nichž bezesporu nejznámější je slitina s hořčíkem, mědí a manganem, známá jako dural. Slitiny mají oproti samotnému hliníku mnohem větší pevnost a tvrdost při zachování velmi malé měrné hmotnosti. Zároveň jsou i značně odolné vůči korozi. Dural se v hojné míře používá
13
především v leteckém a automobilovém průmyslu, ale setkáme se s ním při výrobě výtahů, jízdních kol, lehkých žebříků a podobných aplikacích.
5. 3. Využití hliníku a jeho slitin Hliník nalézá uplatnění především díky své nízké hmotnosti a poměrně značné chemické odolnosti. Díky těmto pozitivním vlastnostem se z něj a jeho slitin vyrábějí součásti v mnoha odvětvích průmyslu. [6] - automobilový průmysl (části motorů, profily pro výplně dveří, pouzdra tlumičů, atd.) - strojírenství (odlitky, konstrukční součástky, různé profily, atd.) - stavebnictví (fasádní profily, profily pro výrobu dveří a oken, atd.) - potravinářský průmysl (obalová technika - alobal) - elektrotechnika (kabely, dráty) - letecký průmysl (používají se slitiny na bázi Al-Li)
5. 4. Metalurgicko - fyzikální vlastnosti hliníku a jeho slitin - Latinský název aluminium - Chemická značka Al - Atomové číslo 13 - Relativní atomová hmotnost 26,981 - Teplota tání v 660,37 °C - Teplota varu 2467 °C - Hustota 2698 kg/m3 Mřížka kubická plošně středěná [7] Základní důležitost aplikace fyzikální metalurgie u hliníku a jeho slitin spočívá ve znalosti a využití možnosti vlivu chemického složení, tváření a tepelného zpracování na mechanické, fyzikální, chemické a technologické vlastnosti. Možnost jak zlepšit vlastnosti hliníku je nalegování pomocí jednoho nebo více prvků. Tím se změní jeho původní vlastnosti a dochází k možnému zlepšení např.: - Pevnostní vlastnosti: lze zlepšit např. pomocí Cu, Mg (slitiny známé jako duraly), - Chemické vlastnosti: legováním, např. Ag, se výrazně zlepšuje odolnost některých slitin vůči korozi za napětí, - technologické vlastnosti: např. Si zlepšuje slévárenské vlastnosti (slitiny známé jako siluminy), Se zlepšuje svařitelnost, - Fyzikální vlastnosti: např. B zlepšuje elektrickou vodivost technicky čistého Al.
14
U různých konstrukcí je nejvýznamnějším prvkem určující použití materiálu pevnost. Samotný hliník má nízké pevnostní vlastnosti, což ovlivňuje jeho možnosti použití. Díky legování se hliník stává konkurenceschopný ve srovnání s běžnými konstrukčními materiály.
5. 5. Mechanické vlastnosti U hliníku a jeho slitin se nejčastěji používá měření tvrdosti podle Brinella. Tvrdost podle Brinella se pohybuje od hodnoty 15 v případě čistého hliníku až po 140 u vysokopecní vytvrzovatelné slitiny. V oblasti výzkumu se spíše používá měření podle Vickerse. Obecně lze říci, že pevnosti s rostoucím obsahem legujících prvků rostou.[12] Kladné vlastnosti hliníku: Nízká měrná hmotnost; dobrá el. a tepelná vodivost; poměrně dobrá pevnost, snadná zpracovatelnost; poměrná stálost na vzduchu. Na vzduchu se pokrývá tenkou a souvislou vrstvičkou oxidu hlinitého [Al2O3]; Slitiny hliníku, pokud neobsahují měď, velmi dobře odolávají korozi v atmosféře a látkám kyselé povahy; dobře se svařují v ochranné atmosféře; vratný odpad se poměrně snadno zpracovává. Nežádoucí vlastnosti hliníku: Odolnost proti působení alkalických látek je malá; nízká tvrdost → tedy snadné zhmoždění povrchu zpracovávaného materiálu; špatné třískové obrábění; slitiny hliníku mohou být napadeny elektrochemickou korozí, jsou-li v konstrukci ve vodivém styku s ostatními kovy a slitinami.
15
5. 6. Rozdělení hliníkových slitin SLITINY HLINÍKU
Slévárenské slitiny - hlavně slitiny Al-Si (siluminy) - Al-Si-Mg, Al-Si-Cu - Al-Si-Cu-Ni, Al-Cu, Al-Mg.
podeutektické 4,5 - 10 % Si
Slitiny určené k tváření
vytvrditelné
eutektické 10 - 13 % Si nadeutektické nad 13 % Si
nevytvrditelné
Al-Cu-Mg
Al-Mg
Al-Mg-Si
Al-Mn
Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu
Obr. č. 1. Rozdělení hliníkových slitin
5. 6. 1. Slévárenské slitiny Obsah legujících prvků se pohybuje v rozmezí 8 až 15% a zabezpečuje dobrou slévatelnost slitiny. Nejčastěji se používají slitiny Al-Si (Cu, Mg, Mn), Al-Cu (Ni, Cr) a Al-Mg (Si). Prvky jako Zr, Ti, B a V jsou přidávány k ovlivnění velikosti zrna i ke zvýšení mechanických vlastností.[10] Slévárenské slitiny jsou určeny k výrobě tvarových odlitků litím do písku, do kovových forem nebo tlakově.
5. 6. 2. Tvářené slitiny Mají obsah legujících prvků obvykle v rozsahu tuhého roztoku, většina slitin je tedy poměrně málo legována, obsah legujících prvků zpravidla nepřekročí 10%. Vytvrditelné - Podmínkou vytvrzování je existence rovnovážného diagramu s částečnou rozpustností v tuhém stavu. Podstatou vytvrzení jsou Guinier-Prestonovy zóny, což jsou neuspořádané a následně uspořádané shluky přesycených atomů fáze Al2Cu. Nevytvrditelné - jedná se o slitiny Al-Mn, kde zpevnění je způsobeno jen tuhým roztokem Mn v Al. Pevnost těchto slitin se pohybuje okolo 150 MPa. Dalším typem nevytvrditelných slitin je slitina Al-Mg, kde se pevnost pohybuje okolo 240 MPa a s
16
rostoucím podílem Mg ve slitině roste její pevnost. Slitiny Al-Mg patří mezi nejlépe svařitelné Al slitiny.
6. Možnosti renovace strojních součástí Oprava strojních součástí. Pro tento případ opravy se používá termín „renovace“. Renovace je zvláštní případ opravy, kdy opravovaným objektem je strojní součást. Tím můžeme usoudit, že: Renovace = oprava strojní součásti Možnosti renovace strojních součástí jsou známy již spoustu let. Renovace se uplatňují především proto, že se strojní součásti mnohdy vyřazují pro nefunkčnost nebo opotřebování jedné činné plochy z mnoha. Není tedy důvod pořizovat součást novou, když je např. 90% součásti v naprostém pořádku. Pomocí zvoleného způsobu renovace se nefunkční činná plocha uvede do provozuschopného stavu a součást se tak celá stává zase funkční. Přitom
moderní
metody
renovací
umožňují
často
zvýšení
životnosti
renovovaných součástí oproti součástkám novým. Při renovaci se nevyskytují demontážní, montážní a seřizovací práce. Většina operací, jako (dokončovací a kontrolní) je při renovaci podobná či totožná s operacemi výrobními. Proto si renovace i výroba předávají technologické postupy, zařízení, materiály, zkušenosti a přizpůsobují je svým potřebám. Moderní technologie a přídavné materiály se speciálními vlastnostmi tak umožňují svařovat a renovovat materiály, které dříve byly nesvařitelné nebo jen s velkými obtížemi. Je možno svařovat např. litinové díly, odlitky z hliníku, barevné kovy, navařovat materiály odolné proti opotřebení, otěruvzdorné materiály, nerezavějící oceli, a jiné. [9] Speciálním svařováním je možno svařovat litinové a ocelolitinové odlitky, jako jsou bloky motorů, čerpadel, převodovek, rozvodovek, ulomené držáky motorů, proražené skříně, a jiné. To samé platí i o odlitcích ze slitin hliníku. Přitom v mnoha případech není nutné ani demontovat součásti ze stroje. Návary speciálních vrstev odolných proti určitému způsobu namáhání, např. proti abrazi, erozi, teplotě, atd. Rovnání ohybem Lepení Tmely Nástřik roztaveného kovu Tváření
17
Renovace trhlin pomocí metod Metallock a Masterlock Renovace závitů Výhody renovací a oprav • úspora nákladů oproti nákupu nových náhradních dílů a to v mnoha případech velmi značná, zejména jedná-li se o díly z dovozu na zahraniční stroje • úspora času a snížení prostojů při zajišťování náhradního dílu • snížení pracnosti při demontáži a montáži • navrácení stroje do provozu v případech,kdy se jedná o starý a již nevyráběný díl. [8]
6. 1. Renovace součástí jejich opracováním na opravné rozměry Principem tohoto způsobu je, že poškozená funkční plocha součásti se opracuje tak, že je obnoven její geometrický tvar, drsnost povrchu, poloha vůči ose součásti a ostatním funkčním plochám atd., a to za cenu opracování strojní součásti na opravný rozměr, který není totožný s rozměrem součásti nové. Pro zachování párovitosti součásti se musí též upravit i součást, která pří běžném provozu přímo spolupracuje s renovovanou součástí a to také na opravný rozměr. To je možné provést buď výměnou sdružené součásti za jinou, vyrobenou už s příslušným opravným rozměrem, nebo její jinou úpravou ( např. navařením, pokovením, pokrytím vrstvou plastu atd.), která umožní přizpůsobení rozměru. Proto se vždy při rozhodování a provedení této renovace postupuje tak, že se na opravný rozměr opracuje součást významnější, výrobně složitější, hmotnější, dražší. Sdružená součást se vyrobí nová a to v případě, že jde o součást jednodušší a tedy i poměrně levnou. Jde - li o součást srovnatelně komplikovanou a drahou, přizpůsobuje se opravným rozměrům. Rozhodnutí o konkrétním postupu je vždy záležitostí nejen technickou, ale zároveň také ekonomickou. Výhodou tohoto způsobu renovace je jednoduchost ve srovnání s výrobou téže součásti nové. Při renovaci je zpravidla nutné provést pouze očištění součásti, důkladnou kontrolu a vlastní opracování, zatímco při výrobě nové součásti je nutná ještě celá řada dalších operací. Nevýhodou je především to, že se narušuje zaměnitelnost součástí, což působí komplikace při následujících opravách a při distribuci a skladování renovovaných součástí s opravnými rozměry. [2]
18
6. 2. Renovace opotřebených součástí na původní rozměry Do této skupiny patří celá řada renovačních způsobů, které všechny mají jedno společné a to, že přidávají či jinak doplňují materiál na opotřebených funkčních plochách, takže je potom možno obnovit původní rozměry i geometrický tvar součásti.[2] Výhody: nenarušuje se princip zaměnitelnosti, součást má původní nebo lepší vlastnosti Nevýhody: někdy komplikovaný technologický postup
6. 2. 1. Možnosti renovací na původní rozměr - navařováním (svařováním) - galvanizací - tvářením - nanášením plastů a kompozitů - pomocí lepidel a tmelů - ostatní (Dále se budeme zabývat pouze metodami nejčastěji používanými u hliníku a jeho slitin).
6. 2. 2 Navařování a svařování opotřebených součástí Základy navařování vycházejí z konstrukčního svařování. Navařování je v řadě případů vhodný způsob nanášení materiálu na opotřebená místa. Během vývoje se však v konkrétním provedení někdy i výrazně odlišily od konstrukčního svařování a to jak v rozdílném použití přídavného materiálu, tak i samotným technologickým postupem.
6. 2. 3. Způsoby navařování a svařování v renovaci součástí Ruční způsoby svařování a navařování se používají tam, kde je potřeba snadná manipulace se svařovací aparaturou (i v terénu) a tam, kde se renovuje menší počet součástí např.: kusová výroba. Zařízení je levné a široce dostupné. Strojní způsoby navařování jsou vhodné zejména tehdy, jedná-li se o větší série stejných součástí jednoduchých tvarů. U většiny způsobů strojního navařování se vlastně v podstatě jedná o mechanizování obdobných způsobů ručních. Díky mechanizaci všech nebo většiny pohybů při navařování je zaručena stálá a opakovatelná kvalita návarů, nezávisle na zručnosti svářeče. Zmechanizování hlavní operace také vytváří předpoklady pro robotizaci a automatizaci. [2]
19
6. 2. 4. Problematika svařování hliníku U hliníku a jeho slitin se využívá velmi dobré korozní odolnosti, tepelné a elektrické vodivosti. Korozní odolnost je dána tím, že povrch hliníku a jeho slitin reaguje s kyslíkem obsaženým ve vzduchu. Touto reakcí vznikají na povrchu oxidy Al2O3, které povrch pasivují do tloušťky v řádech setin µm. Hliník má vysokou afinitu ke kyslíku, která se stoupající teplotou poměrně rychle roste a má za následek výskyt vad ve svarovém spoji. Styčné plochy určené ke svaření by se měly zbavit oxidických vrstev, neboť tyto oxidy si zachovávají stabilitu i nad teplotu 2000°C. Na proces svařování má nepříznivý vliv i velká tepelná vodivost (až 4krát větší než u oceli), která má za následek rychlý odvod tepla do ostatních částí svařence a tím roste energetická náročnost procesu. Další nežádoucí vlastností je velká teplotní roztažnost hliníku a jeho slitin, což může vést ke zvýšení rizika deformací, či ke vzniku trhlin ve svarovém spoji. Svařitelnost samotného hliníku u malých tloušťek je poměrně dobrá. U tloušťek větších jak 12 mm se doporučuje předehřev 200 až 300°C z důvodu možnosti výskytu trhlin. Přídavný materiál se volí co nejblíže základnímu materiálu. Příznivě působí jako přísada prvky Ti, Cr a V, které zajišťují zjemnění zrna a tím zvýšení pevnosti. Ještě před zahájením samotného svařování je nutné připravit svarové plochy. U tloušťky hliníkové desky do 4 mm se nemusí provádět žádné úpravy a desky se svařují do tupého spoje. U desek nad tloušťku 4 mm je nutné připravit zkosení. Úhel rozevření by u hliníku měl být v rozmezí 80° až 90°. Pravidlem je, že jednotlivé díly se musí dotýkat. Při svařování je jednou z dalších podmínek provedení kvalitního spoje čistota nejen základního a přídavného materiálu, ale i čistota svařovacího pracoviště. Příprava svarových ploch by měla začít kartáčováním svarových ploch z důvodu odstranění oxidu hlinitého (AL2O3), který je nežádoucí v průběhu svařování a má za následek ovlivnění tavné lázně. Poté by mělo následovat očištění svarových ploch případně přídavného materiálu rozpouštědlem. Jako rozpouštědlo oxidu se nejčastěji používá aceton nebo metanol. Po důkladné přípravě by mělo co nejdříve následovat svařování, neboť ihned nastává kontaminace čistého povrchu oxidy. Oxidy lze rovněž odstranit účinkem elektrického oblouku v ochranném plynu. [10].
20
6. 2. 5. Jednotlivé způsoby nejčastěji používaných technologií svařování a navařování hliníkových slitin 6. 2. 5. 1. Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou Ruční obloukové svařování (MMA - Manual Metal Arc Welding) je nejstarší a nejuniverzálnější metoda z obloukového svařování. Princip svařování spočívá ve vzniku elektrického oblouku mezi obalenou elektrodou a svařovaným materiálem. Roztavený kov elektrody se přenáší obloukem do svarové lázně a je chráněný plyny vznikajícími z rozkladu obalu elektrody, které jsou tvořeny struskotvornými látkami. Roztavená struska se dostává na povrch svarové lázně, kde během tuhnutí chrání svarový kov před přístupem atmosféry a zároveň formuje výsledný svár. Pro svařování hliníkových slitin se používají elektrody na bázi halových solí, kde je v obalu indikátor vlhkosti ( např. suchá elektroda má obal modrý a při nabrání vzdušné vlhkosti obal zezelená a elektrodu je nutno přesušit). Toto je obecně platné pro všechny obalené elektrody. Je tedy nutné hlídat přesušení elektrod před svařováním, abychom se vyvarovali vyššímu obsahu difúzního vodíku ve svarovém spoji. Proto se také objevují elektrody ve vakuovém balení, které garantují suchý obal elektrody. Další využití obalu je pro dosazení kovových prášků, které zvyšují výtěžnost elektrod (poměr elektroda-svarový kov ), nebo legují svarový kov, případně eliminují propal legujících prvků. I když je to metoda relativně pomalá z důvodu výměny elektrod a odstraňování strusky, zůstává jednou z nejflexibilnějších a její výhody vynikají v obtížně přístupných oblastech. [14]
Obr. č. 2. Obloukové svařování obalenou elektrodou
21
Ruční navařování elektrickým obloukem Ruční navařování elektrickým obloukem se od konstrukčního svařování především liší použitým přídavným materiálem, ale také zásadami pro vlastní navařování, které se musí přizpůsobit požadavkům malého tepelného ovlivnění základního materiálu, způsobu legování a požadavku rovnoměrného složení návaru. Elektrody mají obal, který obsahuje kromě běžných struskotvorných látek také legovací prvky. Je to velmi vhodný a levný způsob legování návaru. [2] 6. 2. 5. 2. Svařování v ochranné atmosféře plynů Při svařování v ochranné atmosféře plynu (MIG - Metal Inert Gas, MAG - Metal Active Gas) vzniká oblouk mezi kontinuálně podávaným svařovacím drátem a svařovaným materiálem. Oblouk a tavná lázeň jsou chráněny proudem inertního nebo aktivního plynu. Tato metoda se hodí pro většinu materiálů a přídavné materiály jsou k dispozici pro široký sortiment kovů. Svařování metodami MIG/MAG je podstatně produktivnější, než svařování obalenou elektrodou (MMA). Při svařování MMA vznikají prostoje oproti MIG/MAG v nutnosti výměny spotřebované elektrody. Elektrodu nelze spotřebovat celou, tím vznikají i ztráty na přídavném materiálu při tzv. vyhazování nedopalku. Uvádí se, že z každého kilogramu obalených elektrod se stane součástí svaru pouhých 65% a zbytek se stane struskou a technologickým nedopalkem elektrody. Metoda
MAG využívá
aktivního plynu ( CO2, O2 ) a to i v tzv. argon-mixových směsích. Snižuje povrchové napětí lázně a umožňuje lepší zabíravost lázně. Zároveň ale oxiduje, nebo nauhličuje svarovou lázeň. Pro některé kovové slitiny je tato ochranná atmosféra nepřípustná a používá se metoda MIG, kde je plyn inertní a kryje svarovou lázeň, ale neúčastní se chemicky na probíhajícím procesu. Jako plyny se používá Argon, Hélium nebo kombinace těchto plynů. [14]
22
Obr. č. 3. Svařování v ochranné atmosféře MIG/MAG Poloautomatické navařování v ochranné atmosféře Pro navařování se používá stejné zařízení jako pro konstrukční svařování. Změna je pouze ve změně přídavného materiálu, používá se návarový (legovaný) drát. Možnost legování tímto způsobem je omezena, a to obtížností výroby více legovaných drátů. Proto se spíše používají tzv. trubičkové dráty, t.j. tenkostěnná trubička z požadovaného materiálu, naplněná vhodnou práškovou směsí, která plní funkci tavidla a zároveň obsahuje legovací prvky. Mohou se použít místo drátů k navařování v ochranné atmosféře, ale vzhledem k tomu, že tvoří strusku jako obalené elektrody, používají se i bez ochranné atmosféry. [2] 6. 2. 5. 3 Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu (TIG - Tungsten Inert Gas Welding, WIG - Wolfram Inert Gas Welding) Při této metodě vzniká oblouk mezi základním materiálem a netavící se wolframovou elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu. Přídavný materiál se do oblouku podává samostatně. Svařováním metodou TIG/WIG je zajištěna výjimečná čistota a vysoká kvalita svaru. Při svařování nevzniká žádná struska, tím je sníženo na minimum riziko vměstků ve svarovém kovu a hotové svary nevyžadují žádné čištění. Svařovat je možné bez přídavného materiálu nebo s přídavným materiálem. Metodu TIG/WIG lze použít téměř pro všechny kovy a hodí se jak pro ruční, tak pro automatizované svařování. Nejvíce se používá pro svařování hliníku, hořčíku, titanu a nerezavějících ocelí, kde je absolutně
23
nejdůležitější celistvost svaru. Této metody se široce používá k vysoce kvalitním spojům v nukleárním, leteckém, chemickém a potravinářském průmyslu. Metodou TIG/WIG lze svařovat dvěma svařovacími proudy. Stejnosměrným proudem, který má využití pro většinu kovů a slitin. Druhým typem je střídavý proud pro svařování hliníkových slitin, ale také např. pro hliníkovou bronz.
Obr. č. 4. Svařování metodou TIG/WIG
Elektrody se vyrábějí ve třech typech: - z čistého wolframu - s přísadou (1 - 4 %) Oxidu Thoria (ThO2), který výrazně zvyšuje termoemisi elektronů. Elektroda se tím lépe ochlazuje, snáší vyšší proudové zatížení a má vyšší (až o 1000 ºC) pracovní teplotu. Thorium vykazuje znaky radioaktivity – nahrazováno Lanthanem. Konce elektrody je možno zbrousit do ostrého hrotu, oblouk je pak lépe soustředěn, klidněji hoří a hloubka závaru je větší. Při svařování se udržuje krátký oblouk, aby se docílilo co nejmenší tepelně ovlivněné zóny. - pásové (obsahují oxid thoria v pásech paralelně s osou elektrody). Ochranné plyny Musí mít předepsanou čistotu a musí proudit kolem elektrody vhodnou rychlostí. Při nedostatečném množství proudícího plynu dochází ke styku svarové lázně a vzduchu, tím dochází k znehodnocení svaru. Ochranný plyn bývá převážně Argon (Ar), výjimečně Helium (He), Dusík (N) nebo směs těchto plynů. Pro svařování hliníku a jeho slitin se metoda TIG/WIG používá nejčastěji. Podmínkou je použití střídavého proudu. Ochranný inertní plyn argon má v tomto případě čistící účinek, kdy při použití střídavého proudu a připojení elektrody na kladný
24
pól v půlperiodě dopadají kladné ionty argonu na svařovaný materiál a tím rozrušují oxidickou vrstvu. Na elektrodě se přitom vyvine zhruba 2/3 tepla. V druhé půlperiodě, kdy je na elektrodě mínus pól a množství tepla zhruba 1/3 se zbylé 2/3 tepla využívají pro tavení materiálu a inertní plyn slouží jen jako ochrana, bez čistícího účinku. Při svařování střídavým proudem vzniká zvláště při nižších proudech nestabilita oblouku, která způsobuje defekty ve svarech, případně zcela znemožňuje svařování. Proto je nutné oblouk stabilizovat vysokofrekvenčním vysokonapěťovým generátorem (napětí 2500 – 5000 V o frekvenci 2 – 5 MHz) nebo Pulsním generátorem s nízkou frekvencí. [14]; [3] 6. 2. 5. 4. Svařování třením (FSW - Friction Stir Welding) Jedná se o poměrně moderní metodu svařování. Svařování třením lze použít při spojování hliníkových plechů, aniž by se dosáhlo jejich bodu tavení. Princip metody svařování třením spočívá v nástroji s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem, který se otáčí a pomalu ponořuje do místa spoje mezi dva kusy plechu, které se k sobě svařují natupo. Součásti je nutno zafixovat na podložce tak, aby se jejich čela neoddálila. Vzniklé teplo mezi nástrojem odolným proti opotřebení a svařovaným materiálem způsobuje, že materiál se v místě spoje dostane do plastického stavu, aniž by dosáhl bodu tavení, a tak umožní, že nástroj přechází podél linie svaru. Svařování třením lze použít při spojování hliníkových plechů a desek bez přídavného drátu nebo ochranného plynu. Je možno svařovat materiál o tloušťce 1,6 až 30 mm při plném průniku, bez pórů a vnitřních dutin. Daří se dosáhnout svarů o vysoké celistvosti s nízkou deformací, převážně u slitin hliníku a dokonce i u materiálů, které jsou považovány za obtížně svařitelné z hlediska konvenčních tavných svařovacích metod. [14]
Obr. č. 5. Svařování třením
25
Navařování třením Navařování se nejčastěji provádí na válcové součásti, kdy je součást předehřátá na teplotu asi 300 °C procházejícím proudem. Součást se otáčí kolem své osy. Zároveň se k součásti přitlačuje tyčka přídavného materiálu, která se též otáčí kolem své osy. Následkem tření se přídavný materiál stává plastickým a ulpívá na povrchu navařované součásti. 6. 2. 5. 5. Plazmové svařování hliníkových součástí Svařování plazmou se stává čím dál víc oblíbenější. Důvod je zřejmý v přednostech plazmového svařování. Lze svařovat tupé svary až do 8-10 mm, další výhodou jsou vysoké svařovací rychlosti, které zvyšují produktivitu a kvalitu svarů. Svary provedené plazmou jen v malé míře vykazují závady. Vysoké obloukové teploty s tokem plazmového plynu a katodovým čisticím účinkem střídavého proudu mají pozitivní vliv na vysokou kvalitu svaru. Problematika při svařování hliníku byla zmíněna v úvodu této kapitoly. Největší potíže při svařování tvoří vrstva oxidu, která má tavný bod 2050 °C, což je hodně ve srovnání s tavným bodem čistého hliníku, který je pouze 660 °C. U plazmového svařování hliníku se na tento problém využívá katodového očistného účinku oblouku.
Obr. č. 6. Plazmové svařování Porovnání plazmy a TIG Tyto dvě metody bývají často srovnávány pro svoji podobnost. Přesto plazmové svařování má jisté výhody. K nim patří hlubší penetrace, menší množství práce potřebné k přípravě drážek, nižší potřeba vstupního tepla a v důsledku toho nižší tepelná
26
deformace, a rovněž nižší počet svarových úkonů. Svařovací rychlosti a kvalita svaru je zde výrazně vyšší. Při svařování silnějších materiálů lze využít plazmy v kombinaci s metodou MIG/MAG. Kořenová vrstva se vyplní plazmou a s následným vyplněním MIG/MAG snižuje spotřebu přídavného materiálu a času pro svařování. Ochranné plyny Nejúspornější ochranný plazmový plyn při svařování hliníku je argon. Směs argonu a 30% helia umožňuje použití nižšího proudu a to příznivě působí na životnost hořáku a elektrody. Směsi plynů s vyšším než 30% podílem helia jsou vhodné pro svařování hliníkových součástí do tloušťky zhruba 8 mm ve svislé poloze. Svařovací rychlosti pro argon a argono -heliové směsi jsou stejné a pohybují se, např. u plátů o tloušťce 5 mm, v pásmu od 21 do 25 cm/min. Účinek svařovacích parametrů Konečné výsledky při svařování hliníkových součástí plazmou jsou v praxi ovlivňovány různými parametry, jako je např. složení plazmy a ochranných plynů, napětí v oblouku, rychlost posuvu svařovacího drátu, konstrukce hořáku, příprava drážky, čistota materiálu anebo způsob seřízení svařovací aparatury. [14]
Plazmové navařování Plazmové navařování patří mezi technologie, pracující s vysokou hustotou (koncentrací) energie. To umožňuje dosahovat vysokých teplot a tím i vysokých rychlostí navařování, což má za následek nižší tepelné ovlivnění základního materiálu. Lze navařovat i materiály těžko tavitelné. Od plazmového stříkání se navařování liší pouze v tom, že dochází k natavení základního materiálu. [2] 6. 2. 5. 6. Svařování laserem Svařování laserem má řadu výhod, kterých nelze dosáhnout žádnou jinou technikou. Mezi výhody svařování laserem patří vysoká rychlost svařování, malé tepelné ovlivnění místa svaru, možnost provedení svaru i při přístupu pouze z jedné strany, malé nároky na jakostní povrch svařovaných součástí, vysoká pevnost svaru. Laserem je možné svařovat jinými metodami obtížně svařitelné materiály, jako titan a jeho slitiny, hliníkové slitiny (např. dnes v letectví a kosmonautice používanou slitinu hliníku a lithia), niob, zlato apod. Svařování ve srovnání s dalšími aplikacemi vyžaduje menší intenzitu záření optického svazku a větší délku laserového pulzu. [11]
27
Obr. č. 7. Svařování laserem Laserové navařování Princip laserového navařování spočívá v natavení přídavného materiálu naneseného na součást. Přídavný materiál se používá ve formě prášku (nejvhodnější), fólie nebo drátu. Může se používat jak impulsní, tak nepřerušované laserové zařízení. Práškový přídavný materiál se nanáší na součást pomocí nátěru na bázi lepidel, což současně zvyšuje stupeň pohltivosti laserového záření a zlepšuje rovnoměrnost navařovaného povrchu s minimálními ztrátami prášku. [2] 6. 2. 5. 7. Plamenové svařování Zdrojem tepla při plamenovém svařování je chemická energie, která vznikne hořením směsi okysličujícího a hořlavého plynu. Oblasti použití plamenového svařování Plamenové svařování si zachovává své postavení spíše v řemeslných činnostech jako jsou topenář, instalatér, potrubář, klempíř, automechanik a další. Velmi často se také používá v opravárenství a renovacích. Při svařování plamenem je kvalita provedení svaru z větší části závislá na zručnosti a dovednostech svářeče. Plamenové svařování se nejvíce používá u plechů do 4mm a tenkých trubek. Vzhledem k ceně používaných plynů a nízké výkonnosti tohoto způsobu navařování jde o způsob poměrně drahý. [2] Plamenové svařování hliníku a jeho slitin Hlavní problém způsobuje již zmiňovaná vrstva oxidu hlinitého, která má teplotu tavení přesahující 2000 °C. Není rozpustný v tavenině ani v tuhém roztoku, zabraňuje spojování kapek roztaveného kovu, a znemožňuje tak svařování. Počátek tavení se u hliníku pozná obtížně, protože není při ohřevu vidět změna barvy.
28
Přídavný materiál se používá stejného složení jako základní materiál, většinou ve formě drátu nebo litých tyčinek. Přídavný materiál se před použitím očistí mořením v kyselině sírové nebo dusičné. Poté se opláchne a osuší. Těsně před samotným svařování je potřeba nanést na svařovaný povrch tavidlo, které působí na oxidy a pomáhá je rozpouštět. Nejčastěji se tavidlo skládá z chloridu sodného (NaCl), chloridu draselného (KCl), chloridu lithného (LiCl) a fluoridu sodného (NaF). Obvykle se rozpouštějí v destilované vodě. Po svařování se musí zbytky tavidla dokonale odstranit neutralizačním roztokem, neboť by to mohlo být příčinou koroze svaru. Pro svařování hliníku a jeho slitin se používá redukční plamen (s přebytkem acetylenu). Vždy je nutný předehřev asi 300 °C. Z důvodů nebezpečí přehřátí plechu na okraji se začíná svařovat cca 40 mm od okraje plechu krátkým svarem k okraji plechu. Plamenové svařování hliníku a jeho slitin je dnes pouze pomocná metoda, ve většině případů se používá svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách (WIG, MIG). [4] Ruční navařování plamenem je prakticky totožné s plamenovým svařováním. 6. 2. 5. 8. Svařování hliníku a jeho slitin tlakem za studena Svařované plochy se musí těsně před svařováním dokonale očistit a zbavit oxidové vrstvy. Samotný princip tohoto svařování spočívá v působení tlaku nebo rázů na svařovanou součást, kdy nástroj působící tlak je tvarovaný a způsobuje tak průhyb (tažení) materiálu na jedné součásti víc, než na druhé. Nejčastěji se tato metoda používá u tenkých plechů.
6. 3. Renovace deformovaných součástí K deformaci součásti z tvárného materiálu nejčastěji dochází, jestliže: Součást je přetížena vnější silou, nebo v součásti dojde ke změně v rozložení vnitřního pnutí. Rovnání = deformace součásti do požadovaného tvaru Pří deformaci dochází ke změně geometrického tvaru součásti. Způsoby rovnání: - ohybem za studena - ohybem za tepla - místním povrchovým ohřevem - povrchovým náklepem. 29
6. 4. Renovace součástí s lomy a trhlinami Renovace strojních součástí se dá provádět především svařováním, které bylo již zmíněno. Další možností renovace součástí s trhlinami a lomy je metoda Metallock a Masterlock.
6. 4. 1. Renovace součástí s lomy a trhlinami metodou Metallock Metallock je vhodná především pro litinové součásti. Princip metody Metallock spočívá v obnovení mechanických vlastností součásti pomocí svorek Metallock. Touto metodou lze též provést utěsnění opravované součásti trhliny mezi jednotlivými svorkami. Technologický postup opravy pomocí Metallock Zjistí se rozsah trhliny, včetně případných rozvětvení. Všechny větve trhliny se označí a zajistí vyvrtáním díry v konci trhliny. Zjistí se tloušťka stěny v místě trhliny a její případné změny po délce trhliny. Stanoví se velikost svorek Metallock, které se použijí pro opravu. Stanoví se počet a délka jednotlivých “stehů“ pomocí svorek Metallock. Trhlina se rozměří, vyznačí se umístění jednotlivých stehů. Stehy se dělají různé délky, aby bylo napětí, které přenášejí do základního materiálu, rozloženo do větší plochy a nekoncentrovalo se v linii na které stehy končí. V místě některého vyznačeného stehu se v trhlině vyvrtá díra odpovídajícího průměru, přibližně do dvou třetin tloušťky stěny součásti. Pomocí kolíčku příslušného průměru se na vyvrtanou díru přichytí vrtací šablona a nastaví se tak, aby budoucí steh byl kolmý k trhlině. Otvorem v šabloně se vyvrtá další díra, do stejné hloubky. Pomocí druhého kolíčku se vrtací šablona zafixuje. Podle šablony se vyvrtají zbývající potřebné díry, všechny do stejné hloubky. Dna všech děr se kolmo zbroušeným vrtákem vyrovnají do roviny ve stejné hloubce. K tomu účelu upraveným křížovým sekáčem se odsekají můstky mezi dírami, takže vznikne dutina tvarově přesně odpovídající zvolené velikosti svorky. Dutina se pečlivě vyčistí stlačeným vzduchem. Do dutiny se vloží svorka a zaklepe se až na dno dutiny. Svorka se důkladně v dutině zatemuje velkým množstvím přiměřeně silných úderů. Vloží se další svorka, zaklepe se do dutiny a opět se důkladně zatemuje. Stejně se vkládají a temují další svorky, až je dutina zcela vyplněna a poslední svorka vyčnívá zčásti nad povrch.
30
Potom se stejným způsobem vytvoří další stehy. Nakonec se místo opravy opracuje (přebrousí) do roviny s původním povrchem. V případě potřeby se potom trhlina utěsní zakolíčkováním úseků mezi jednotlivými stehy. Jako poslední se provede povrchová úprava opraveného místa.
Obr. č. 8. Trhlina opravená metodou Metallock
Obr. č. 9. Svorka Metallock Technologický postup kolíčkování trhliny mezi svorkami Vyvrtá se díra stejného průměru jako pro přípravu dutiny pro svorku Metallock. Díra se vyvrtá tak, aby zčásti zasahovala do výstupku svorky, ale nepřerušila ji. Vrtá se do stejné hloubky jako pro svorky. V přesných roztečích se stejně vyvrtají další díry po celé délce trhliny mezi svorkami. V dírách se vyřízne závit příslušného průměru. Díry se důkladně vyčistí stlačeným vzduchem. Do děr se zašroubují svorníky se závitem po celé délce. Stejně se vyvrtají díry mezi zašroubovanými svorníky, které se zčásti překrývají. Do děr se opět vyříznou závity a zašroubují svorníky. Povrch se zarovná.
6. 4. 2. Renovace součástí s lomy a trhlinami metodou Masterlock Tam, kde se trhlina nebo lom nedá opravit metodou Metallock, používá se oprava pomocí zvláštních vložek Masterlock. Jde především o trhliny nebo lomy v místě, kde se koncentruje napětí od provozního namáhání součásti, nebo kde chybí kus materiálu. Jsou to rozměrné, různě tvarované vložky z oceli o vysoké pevnosti.
31
Připravují se buď předem nebo na místě přímo při opravě. Mohou mít tvar obdélníku, I, U, E, H, L i jiný. Vyrábějí se frézováním nebo hoblováním, či jiným vhodným způsobem. Metoda Metallock se svými uvedenými variantami umožňuje provést opravy velmi rozmanitých součástí. Protože jde o metodu mechanickou, bez jakéhokoliv tepelného zásahu, nevznikají pnutí a deformace. Přesnost vzájemné polohy jednotlivých ploch opravených dílů je dána přesností jejich sestavení a zafixování při opravě.
Obr. č. 10. Oprava metodou Masterlock
Technologický postup opravy pomocí Masterlock Opravovaný kus se stáhne a dobře upne tak, aby měl tvar a polohu, kterou má mít po opravě. Narýsuje se tvar vložky Masterlock na opravovanou součást i na ocelovou desku potřebné tloušťky a velikosti. V desce se ve dvou vhodných místech vyvrtají díry potřebného průměru. Na opravované místo se položí deska a otvory se vyvrtají i do součásti. Vyříznou se závity a deska se přišroubuje. Přesně se rozměří rozteče po obrysu vyráběné vložky Masterlock a vrtají se díry, přesně kolmo, zároveň deskou i opravovanou součástí. Po vyvrtání všech děr se deska sejme a opravovaná součást i deska se opracují do poloviny vyvrtaných děr. Tím vznikne dutina a do ní přesně přizpůsobená ocelová vložka Masterlock, s řadou děr o přesných roztečích po obvodě. Polovina díry je vždy ve vložce, polovina v součásti. Do děr se vyřežou závity a zašroubují svorníky. Tím je vložka Masterlock pevně a přesně vsazena do dutiny v opravované součásti. Po
32
zašroubování všech svorníků se vrtají díry doprostřed roztečí, opět se vyřežou závity a zašroubují svorníky. Celý obvod vložky je tedy zakolíčkován stejně jako trhlina při použití svorek Metallock. Oprava celého kusu se dokončí podle situace dalšími vložkami Masterlock, svorkami Metallock, případně zakolíčkováním zbývajících trhlin. Výhody metody Metallock Metodu Metallock lze použít pro všechny odlitky ze všech druhů litiny, oceli na odlitky, ale i z hliníkových slitin, bronzu atd., které mají tloušťku stěny 4 mm a více, bez ohledu na jejich velikost a hmotnost. S úspěchem jsou touto metodou opravovány například stojany válcovacích stolic, nůžky pro dělení materiálu, lisy, buchary, tělesa turbín, dmýchadel, kompresorů, čerpadel, ventilátorů, převodových skříní, lodních i automobilových motorů, kotlů, elektromotorů atd. Metoda zaručuje pevnost a těsnost i u proměnlivého zatížení a za vysokých a proměnlivých teplot. To je dáno především vlastnostmi materiálu, používaného na svorky Metallock, kolíčky, případně i na vložky Masterlock. Používá se ocel s vysokým obsahem niklu, která má velmi dobré mechanické vlastnosti (vysokou pevnost, schopnost zpevnění tvářením za studena) a nízkou tepelnou roztažnost, vždy menší než konstrukční oceli, litiny, oceli na odlitky. Použije - li se svorka Metallock z tohoto materiálu výše popsaným způsobem za studena, dojde po jejím zatemování ke zpevnění a její pevnost mnohonásobně převyšuje pevnost litiny. Pak může mnohem menší průřez svorek přenést původní zatížení. Navíc při zvyšování teploty se materiál svorky v důsledku tepelné dilatace rozpíná méně, než materiál opraveného kusu. Tím vzniká napětí, které opravenou trhlinu svírá a zaručuje původní těsnost i za zvýšené teploty. Metoda Metallock málokdy vyžaduje úplnou demontáž poškozené součásti. Opravu lze provést velmi rychle na místě a tím ušetřit většinu ztrát způsobených prostojem zařízení i většinu nákladů spojených s demontáží a montáží při opravě, případně opracováním po opravě svařováním. Opravu lze provést i v podmínkách, kde jiný způsob opravy není možný, například pro nebezpečí požáru, či výbuchu při svařování (při těžbě ropy, výrobě nafty a benzinu, v chemickém průmyslu, v dolech, mlýnech apod.). Nevýhody metody Metallock Oprava je velice technicky náročná na zručnost, odborné znalosti a technický cit pracovníka. Oprava vyžaduje použití velmi kvalitních materiálů, speciálně upravených předem nebo přímo při opravě. 33
Metodu lze použít u odlitků s tloušťkou stěny nad 4mm. Metoda Metallock je licenční metoda, vlastníkem je anglická firma. U nás je držitelem licence podnik Třinecké železárny v Třinci. Tento podnik také vyrábí potřebné materiály pro tuto metodu a poskytuje sublicence s omezeným oprávněním použití metody. [2]; [13]
6. 5. Renovace jinak poškozených součástí 6. 5. 1. Renovace závitů Závity se většinou poškozují během provozu součástí. Velký vliv na jejich stav má také jejich údržba. Závity mohou být poškozeny vlivem koroze, uvolněním šroubového spoje a následnými rázy, častým používáním šroubového spoje, neodbornou montáží či demontáží atd. 6. 5. 1. 1. Renovace vnějších závitů Použití této metody je málo běžné, a to v případech poškození závitu na drahé nebo složité součásti např.: hřídeli, čepu. Možnosti renovace vnějších závitů - obnovením tvaru závitu pomocí závitového očka (pouze při lehkém poškození závitu deformací), - zhotovením závitu menšího průměru, - navařením, opracováním a vyříznutím nového závitu, - výměnou části se závitem, - navařením poškozené závitové části a následnou výrobou nového závitu. 6. 5. 1. 2. Renovace vnitřních závitů Tato varianta přichází v úvahu často. Možnosti renovace vnitřních závitů - obnovením tvaru závitu pomocí závitníku, - změnou konstrukce spoje (průchozí šroub s maticí), - zhotovením závitu většího průměru, - zhotovením nového závitu původních rozměrů: - zavaří se díra a vyřízne se nový závit - vsadí se masivní vložka, v ní se zhotoví nový závit - použije se pružná závitová vložka - použije se pevná tenkostěnná závitová vložka.
34
Princip opravy vnitřního závitu pomocí pružné závitové vložky HeliCoil Závitová vložka je vyrobena z austenitické chromniklové oceli ve formě drátu s kosočtvercovým průřezem. Drát je stočen šroubovitě do tvaru pružiny. Pomocí přípravku je vložka vtočena do lůžkového závitu. Vložka je svým vnějším závitovým povrchem uložena v lůžkovém závitu. Svým vnitřním závitovým povrchem vložka vytvoří závit původního rozměru. Technologický postup renovace závitu pomocí pružné závitové vložky - Vyvrtá se díra pro lůžkový závit. Pro jednotlivé průměry závitových vložek jsou tabulkové průměry vrtaných děr a lůžkových závitů. Osa díry musí být shodná s osou původního závitu. - Speciálním závitníkem se vyřeže lůžkový závit. - Pomocí speciálního přípravku se provede montáž pružné závitové vložky. Vložka se vtláčí tak dlouho, až je konec vložky asi o čtvrtinu otáčky za začátkem lůžkového závitu. - Odlomení pomocného unášecího výstupku vložky. Ten slouží k vtočení závitové vložky do lůžkového závitu. Je opatřen vrubem, který umožňuje jeho snadnější odlomení.
Obr. č. 11. Oprava závitu pomocí závitové vložky HeliCoil
35
Obr. č. 12. Závit před renovací
Obr. č. 13. Závit po renovaci
Výhody - Závity mají delší životnost a vyšší únosnost než původní závity. - Snáší vyšší teploty, jsou odolnější proti opotřebení při opakované demontáži a montáži. - Dobrá odolnost proti korozi a chemickým vlivům díky použitému materiálu. Nevýhody - Pro každý průměr opravovaného závitu jsou potřeba jednotlivé průměry vrtáků, závitníků, přípravek pro vtočení. - Po odlomení pomocného výstupku nelze vložku bez poškození demontovat. [2]
6. 5. 2. Renovace pomocí lepidel Pevnost lepeného spoje závisí především na adhezi lepidla tj. jeho přilnavostí k lepenému materiálu a soudržnost filmů lepidla po ztuhnutí. Dalšími ovlivňujícími faktory jsou dodržení správné technologie lepeného spoje (konstrukce), úprava lepených ploch, nanášení lepidla, doba tuhnutí, vytvrzování, fixování lepeného spoje, působení měrného tlaku na lepený spoj během jeho vytvrzování atd. Konstrukce lepeného spoje musí být navržena tak, aby pokud možno nedocházelo k namáhání lepeného spoje krutem. Úprava lepeného povrchu se provádí především pro zlepšení přilnavosti lepidla. Jedná se o očištění veškerých možných nečistot z lepené plochy (mastnota, koroze, prach, vlhkost atd.). Nanesení lepidla má umožnit vznik ztuhlého nebo vytvrzeného filmu o tloušťce 0,05 – 0,25mm. Vhodnější nanášení lepidla je celoplošné oproti bodovému a je li to možné, tak oboustranné. Zajistí se tím dokonalejší rozvrstvení lepidla po celé ploše spoje.
36
Doba otevřeného spoje je doba od nanesení lepidla na plochu až do doby přiložení druhé plochy. Tato doba závisí na chemickém složení lepidla, jeho reakci se vzduchem, okolní teplotě, tloušťce nánosu lepidla atd. Doba uzavřeného spojení je doba od přiložení lepených ploch k sobě do doby zatížení spoje tlakem. Musí se provádět co nejrychleji, pokud lepidlo ztuhne dřív než je spoj zatížen, je předpoklad nevyhovujícího spojení. Fixace vzájemné polohy je důležité provést ještě před samotným zatížením lepeného spoje. Některá reaktivní lepidla totiž při vytvrzování napřed řídnou, což může způsobit posun součástí. Vzniklá soudržnost lepidla mnohdy neumožňuje uvedení do výchozí polohy. Tlak na spoj má zajistit vyrovnání tloušťky filmu lepidla, protože nános nebývá vždy rovnoměrný. Tlak na lepené plochy musí být vždy kolmý, nesmí způsobit úplné vytlačení lepidla z lepených ploch. Vrstva lepidla se dá kontrolovat u rovinných součástí vložením několika drátku mezi lepené plochy. Drátek má průměr, který odpovídá požadované vrstvě lepidla. Tlak na spoj musí trvat až do jeho vytvrdnutí. Tuhnutí lepidla ve spoji je proces přechodu lepidla z kapalné do tuhé fáze. Musí se hlídat teplota okolí. Některá lepidla při poklesu teploty zpomalí, nebo zastaví proces vytvrzování. Je tedy třeba hlídat rozmezí teplot při tuhnutí. Vysoká teplota při vytvrzování také neznamená nejlepší kvalitu spoje. [2] 6. 5. 2. 1. Metal bonding hliníkových slitin Je jedním z nejnovějších postupů používaných při konstrukci, stavbě a opravách zejména v letectví. Jedná se o lepení kovových konstrukcí technologií metal bonding. Své uplatnění nachází i v odvětvích, jako např. v konstrukci automobilů, elektrotechnické a elektronické aplikaci, v chemickém průmyslu, těžbě a zpracování nerostných surovin nebo dokonce ve zdravotnictví. V České republice mají s metal bondingem rozsáhlé zkušenosti odborníci z ČSA, kde se používá na letadlech pro spojování dílů z hliníkových slitin. Výhodami této metody jsou zejména: zjednodušení konstrukce, úspora materiálu (hmotnosti), unikátní charakteristika lepeného spoje - vysoká pevnost ve smyku, odolnost vůči únavě materiálu. Na běžném dopravním letadle můžeme najít celou řadu použití metal bondingu, např. na dílech vertikálního stabilizátoru, náběžných hranách křídel i stabilizátorů, odtokových hranách slotů, vnějších i vnitřních klapkách, částech dvířek podvozků, pylonech a krytech motorů, spoilerech atd.
37
Technologií metal bonding se v současnosti v ČSA spojují především díly z hliníku a jeho slitin (zejména duralu). Vlastní postup lepení se skládá z několika operací a každá z nich se musí provádět velice pečlivě a přesně. Proto má svůj význam i patřičná kvalifikace a vyškolení každého pracovníka, který s touto technologií pracuje. Povrchové napětí, drsnost a kontaminace povrchu Prvním krokem pro lepení slitin hliníku je výběr lepených materiálů a použité konstrukce. Dnes se nejvíce používají duralové slitiny. Z konstrukčního hlediska pak můžeme zvolit přímé lepení kov na kov nebo sendvičovou konstrukci, tj. spoj kov kovová voština. Oba dva způsoby lze kombinovat s jinými spojovacími prvky - šrouby, nýty apod. Dalším krokem je vytvoření optimálních podmínek pro lepení. Je nutno zajistit kontrolu povrchového napětí na lepeném spoji, drsnosti povrchu a čistoty (kontaminace) lepených povrchů. Povrchové napětí na lepeném spoji můžeme charakterizovat jako rovnovážný stav mezi dvěma lepenými materiály. V technologii metal bonding lze systém kov/lepidlo označit jako systém pevná látka/kapalina (S/L, z anglického solid/liquid). Pokud v tomto S/L systému je povrchové napětí příliš velké, má složka L tendenci vytvářet kapky. V tomto případě pak dochází k vytvoření nerovnovážného rozložení lepidla ve spoji a snížení jeho pevnosti. Proto se musí pro technologii metal bonding používat jen určená a tomuto účelu formulovaná lepidla. Jiné druhy lepidel mohou v určitých případech také fungovat, ale vlastnosti takto vytvořeného spoje nemohou být zaručené (koroze, únava, porozita, křehkost, náchylnost na odlupování apod.). Drsnost povrchu na mikroskopické úrovni se významně podílí na celkové pevnosti lepeného spoje hlavně díky zvýšení velikosti lepené plochy. Druhotně může pevnost lepeného spoje zvýšit i mechanické jištění na drsnějších plochách (locking). Drsnost povrchu musí být tedy pod kontrolou. Pokud bude reálná drsnost povrchu větší než optimální, budeme se potýkat se zachycováním plynů, těkavých složek a nečistot. Kontaminace povrchu - nebo jinak jeho znečištění - může měnit povrchové napětí systému nebo negativně ovlivnit typ vazeb na molekulární úrovni. Je proto vždy nutné perfektně odstranit zbytky čisticích látek a ředidel, olejů a zbytků paliv, prachových částic, kondenzovaných kouřových zplodin a nežádoucích oxidů. Naopak řízené vytvoření oxidů vyžaduje velmi krátký časový úsek mezi přípravou povrchu a aplikací bonding primeru. Dokonce i znečištění holýma rukama může významně zhoršit
38
vlastnosti lepeného spoje, a proto je např. zakázána manipulace s díly bez použití bavlněných rukavic. Anodizace povrchu Další operací v pořadí je anodizace - chemický proces, při němž dochází k řízenému vytvoření oxidů hliníku. Účelem je vytvoření mezivrstvy, která spolu s lepidlem vytvoří max. odolnost a pevnost lepeného spoje. Nejběžnějšími metodami jsou anodizace v kyselině fosforečné (známá pod zkratkou PAA), v kyselině chromové (CAA), chemické vytvoření oxidů v lázni dvojchromanu sodného a kyseliny sírové (FPL leptání) nebo anodizace v kyselině borité (BAA). PAA se stala nejběžněji používanou metodou anodizace hlavně proto, že poskytuje velice odolnou a pevnou vrstvu oxidů hliníku, přičemž podmínky procesu lze spolehlivě kontrolovat, a to jak při výrobě, tak i při opravách. Používá ji např. americký Boeing. Nástřik primeru Po anodizaci následuje nástřik adhezního primeru zabraňujícího korozi (CIAP Corrosion Inhibiting Adhesion Primer) na anodizované povrchy. Většina CIAP obsahuje chromáty ve formě inhibitorů koroze, čímž se dosáhne vyšší korozní odolnosti za současného udržení pevnosti lepeného spoje. Nástřik musí být v tenké vrstvě, která se pohybuje v řádech mikrometrů. Vlastní CIAP materiály vyžadují důkladné promíchání před jejich použitím, neboť chromáty, ale i další látky v nich obsažené mají tendenci sedimentovat. Po nástřiku se nanesená vrstva nechá zaschnout při pokojové teplotě a následně vytvrdit v peci při 90 °C po dobu 2 hodin. Z hlediska ochrany zdraví je při práci s CIAP materiály nutné používat respirátor, neboť primer obsahuje karcinogenní látky. Lepidlo V této fázi přichází na řadu aplikace lepidla, kde v zásadě existují dvě varianty lepidla ve formě pasty nebo ve formě adhezního filmu. Z pastovitých lepidel se používají dvousložkové epoxidové pryskyřice zahuštěné různými druhy plniv a dalších přísad upravujících viskozitu a zvyšujících pevnost spoje. Některé pastovité pryskyřice se používají jako výplňové hmoty, např. pro výplně voštin. Lepidla ve formě adhezních filmů jsou v podstatě také epoxidové pryskyřice. Vyrábějí se jako tenký film, kde se epoxidová pryskyřice vyskytuje v nerovnovážném, nezesíťovaném stavu v tzv. B epoxy stage. Proto je nutné tyto materiály uchovávat za velmi nízkých teplot okolo -20 °C. Dobu jejich skladovatelnosti a použitelnosti určuje hodnota tzv. mechanického života 39
(mechanical life), obvykle charakterizovaná počtem jeho jednotek (unitů). Unit pak závisí zejména na teplotě skladování, eventuálně době vystavení filmu pokojové teplotě. Pro adhezní filmy je charakteristická zejména teplota vytvrzování a z tohoto pohledu je můžeme rozdělit na nízko- a vysokoteplotní (cca 125, resp. 175°C). Zvláštním druhem adhezních filmů je pak pěnové adhezivum, které při vytvrzování vytváří pěnu a používá se na spojování voštin. Vytvrzení Závěrečným krokem technologie metal bonding je vytvrzení výrobku za předepsané teploty a tlaku. Vytvrzování obvykle provádíme v tzv. vakuum bagu, který se skládá z více komponentů, z nichž některé se nestávají součástí dílu (tzv. pomocné materiály). Mezi ně patří parting film - vrstva sloužící k separaci a prostupu plynů a těkavých složek z místa lepení; breather materiály - vrstvy zajišťující vakuum v bagu; folie vakuum bagu, pod níž se odsává vzduch a vzniká vakuum; sealing materiál pro utěsnění vakuum bagu. Jako alternativu k vakuum bagu můžeme využít vytvrzování ve formě pod lisem za současného vyhřívání, což je vhodné pro velkosériovou výrobu tvarově nenáročných dílů. Opravy Díly vyrobené technologií metal bonding lze také opravovat, a to velmi rychle a kvalitně, neboť vzhledem k požadavkům byla vyvinuta zvláštní zařízení a příslušenství. Pro anodizaci se využívá konzolí PAA, které řídí proudovou hustotu, průtok kyseliny fosforečné a další potřebné parametry. Pro řízení vytvrzování včetně vytvoření kontroly vakua a teploty ve vakuum bagu se používají vytvrzovací konzoly. [11]
6. 6. Obrábění hliníku a jeho slitin Tento trend je zřejmý i v počtu aplikací hliníkových součástí, které jsou vyráběny z hliníkových odlitků třískovým obráběním - jde například o bloky motorů, válce, hlavy motorů, kola a další. S tím úzce souvisí i snaha výrobců o ekonomické a ekologické obrábění těchto součástí. Hliník a jeho slitiny však při obrábění, zejména za sucha, patří mezi velmi problémové materiály i přes poměrně nízké mechanické vlastnosti. Je to způsobeno jejich vysokou tepelnou vodivostí, výrazným sklonem k adhezi na břit většiny řezných materiálů a nízkou teplotou tavení - maximálně do cca 660 °C. Vlivem vysoké tepelné vodivosti se při obrábění odvádí značné množství tepla z místa řezu do obrobku a vysoká tepelná roztažnost hliníku má za následek tepelné deformace obrobku. Vzhledem k nízké teplotě tavení vznikají problémy s utvářením
40
třísky, jejím odvodem a nalepováním na břit, eventuálně čelo destičky. Problém nalepování hliníku při obrábění standardními řeznými nástroji ze slinutého karbidu je všeobecně známý. Tendence k nalepování stoupá s rostoucí zrnitostí karbidu wolframu (WC), obsahu kobaltu (Co) a drsností řezné hrany a povrchu řezného nástroje. Zvýšení kteréhokoli uvedeného parametru se projeví ve zvýšeném nalepování hliníku na řezný nástroj. U nástrojů s povrchovou úpravou diamantovým mikroleštěním se v důsledku nižší drsnosti adheze snižuje. Další nalepování hliníku omezuje aplikace ochranných vrstev s nízkým koeficientem tření (např. TiB2, MoS2, DLC vrstvy). Obdobný antiadhezní účinek mají i diamantové povlaky nebo polykrystalický diamant. Aplikace těchto materiálů je nejvhodnější pro obrábění hliníkových slitin s vyšším obsahem křemíku (Si ( 12 %) z důvodu nízké afinity a adheze uhlíku a hliníku a vysoké otěruvzdornosti diamantu. Leštěný povrch břitových destiček Pozitivní vliv povrchových úprav se kromě zamezení tvorby nárůstků projeví i ve zlepšení drsnosti obrobené plochy. Leštěný povrch vykazuje v porovnání s neleštěným nižší drsnost a tím i nižší koeficient tření. Dochází ke zlepšení odvodu třísek, zlepšuje se kvalita povrchu obrobku a zvyšuje se i rozměrová přesnost obrobku. Hladký a čistý povrch hliníkových obrobků není jenom vítaným optickým efektem, ale hlavně technickou nutností. Výroba ploch s nízkou drsností povrchu je většinou spojena s vyššími náklady na výrobu. Hlavním důvodem je snížení posuvu pro dosažení nízké drsnosti, s tím však souvisí delší doba na opracování. Destičky s mikroleštěným povrchem umožňují dosažení hladkých povrchů obrobků i při vysokých posuvech a rychlostech obrábění. Vyměnitelné břitové destičky pro obrábění hliníkových slitin Vyměnitelné břitové destičky (VBD) Pramet Diadur pro soustružení hliníku, hliníkových slitin i dalších neželezných materiálů mají speciální geometrii s vysokou přesností (tolerance G) a optimalizovanou konstrukci Al utvářeče třísky, který zajišťuje dobrý odvod třísky již od hloubek řezu okolo 0,5 mm až do 7 mm a posuvů od velikosti 0,06 mm.ot-1. Pozitivní ostrá řezná hrana s vysokou stabilitou a nízkou drsností způsobuje snížení řezných sil a zajišťuje vysokou kvalitu obrobeného povrchu. Produktivita obrábění Aplikace Al geometrie, mikroleštěného povrchu a stabilní řezné hrany s nízkou drsností zlepšuje nejen výkon obrábění, ale může se stát i ekonomickým přínosem v důsledku snižování výrobních nákladů, přičemž úspory jsou dosaženy snížením 41
vlastního času obrábění. Vyplývá to z možnosti dosažení vyhovující kvality obrobeného povrchu i při vyšších posuvech v porovnání s VBD ve standardním provedení s neleštěným povrchem. U standardní destičky s neleštěným povrchem je při stejném posuvu dosažená drsnost několikanásobně horší. [11]
7. Experimentální část V experimentální části bude popsána a zobrazena metalografie svarů plechů z neznámé hliníkové slitiny a bude popsán postup pro určení hliníkové slitiny svařených plechů. V první části se budu věnovat pokusu určení hliníkové slitiny základního materiálu (plechů). V druhé části bude popsána metalografie samotných svarů.
7. 1. Určení hliníkové slitiny základního materiálu (plechů) Jak již bylo zmíněno v teoretické části, hliník a jeho slitiny se doporučují svařovat přídavnými materiály stejného složení, jako je základní materiál. V technické praxi při renovacích se však můžeme setkat s materiálem, u kterého neznáme přesný typ slitiny. V tomto případě si můžeme pomoci jednoduchým testem.
7. 1. 1. Metodika Svařené vzorky plechů z neznámé slitiny hliníku důkladně očistíme a pokapeme 10 až 20 % roztokem hydroxidu sodného (v tomto případě bude použit 15% roztok) a necháme zhruba 4 až 6 minut působit. V případě hliníkové slitiny se na povrchu materiálu začnou tvořit bublinky. Bude-li se jednat o hořčíkovou slitinu, pak žádná reakce nenastane. Po účinku reakce 4 až 6 minut zkoušené místo opláchneme vodou a ze zanechané stopy můžeme detekovat druh slitiny: - bez reakce - hořčík nebo jeho slitina, - bílá stopa - čistý Al, - šedá, (zmizí) - Al slitina s prvky Cu, Zn, Ni, - šedá, (nezmizí) - Al s obsahem Si. Průběh testu byl postupně fotografován a je zobrazen na následujících fotografiích.
42
Obr. č. 14. Vznik bublin cca 15 sekund po nanesení 15% roztoku hydroxidu sodného
Obr. č. 15. Zvětšování bublin vlivem chemické reakce
43
Obr. č. 16. Samovolné praskání bublin
Obr. č. 17. Pátá minuta testu (těsně před oplachem)
44
Obr. č. 18. Testovaný povrch po oplachu
Obr. č. 19. Testovaný povrch po osušení
45
Obr. č. 20. Testovaný povrch po půl hodině po osušení
7. 1. 2. Výsledky testu Z výsledku testu vyplývá, že slitina hliníku obsahuje nespecifikovatelné množství Si. Slitina má tedy složení Al – Si. Po nanesení roztoku hydroxidu sodného na testovaný materiál se po cca 15 sekundách začaly tvořit jemné bubliny. Tyto postupně zvětšovaly svůj objem až samovolně praskly. Po 5 minutách byl vzorek opláchnut velkým množstvím studené vody. Na zkoušeném vzorku zůstala černá skvrna, která po osušení změnila barvu na šedou. Po uplynutí další půl hodiny skvrna ještě víc zesvětlala na odstín, který se postupem času už neměnil.
7. 2. Vyhodnocení kvality svarů pomocí metalografie K dispozici jsou 4 vzorky svařených hliníkových plechů. Jedná se o svary typu: koutový, koutový oboustranný, I spoj (tupý) a přeplátovaný. Vzorky jsou svařeny metodou TIG, přičemž u vzorků s koutovými svary je použit přídavný materiál Al Si5 a u vzorků typu I a přeplátovaného byl použit přídavný materiál se složením Al Mg5. Základní materiál je vždy stejný 2,5 mm tlustý plech ze slitiny hliníku Al-Cu4-Mg1-(Si) (dural). Struktura základního materiálu je stanovena na základě vizuálního posouzení fotografií základního materiálu zvětšených 150 krát s fotografiemi v odborné literatuře [5].
46
Přídavný materiál Al Si 5 – OK Tigrod 4043 (původní název OK Tigrod 18.04) je jedním z nejvíce používaných drátů pro svařování a pájení hliníkových slitin. Přídavek křemíku (Si) umožňuje lepší tavitelnost a je důvodem jeho oblíbenosti u svářečů. Svarový kov není náchylný k tvorbě trhlin a povrch svaru je lesklý a bez větších nerovností. Tepelně se nezpracovává. Nedoporučuje se pro svařence s potřebou povrchové úpravy. Al Mg 5 – OK Tigrod 5356 (původní název OK Tigrod 18.15) je nejpoužívanější drát pro svařování hliníkových slitin. Obvykle je volen i pro svou relativně vysokou pevnost ve smyku. Základní materiály typu 5xxx s obsahem Mg větším než 3% svařované drátem OK Tigrod 5356 mohou být při pracovních teplotách vyšších než 65°C náchylné ke koroznímu praskání. Svarový kov se tepelně nezpracovává. [15]
Obr. č. 21. Přídavný materiál
7. 2. 1. Metodika metalografie svarů K dispozici budou čtyři vzorky svarů. Z nich budou odřezány kousky široké zhruba 5 mm. Ty se zalijí do speciálního plastu, který umožňuje snažší manipulaci se vzorkem. Na speciálním přístroji se vybrousí do absolutní hladkosti, aby bylo možno pod mikroskopem zkoumat strukturu svaru a základního materiálu. Ještě před samotným zkoumáním pod mikroskopem je potřeba vzorky naleptat leptadlem pro chemické vyvolávání mikrostruktury hliníku a jeho slitin.
47
Leptadlo má složení:
- kyselina fluorovodíková (1,12) 0,5 ml - kyselina solná (1,19) 1,5 ml - kyselina dusičná (1,40) 2,5 ml - destilovaná voda 95,5 ml
Na následujících fotografiích je znázorněna metalografie svarů s komentáři jejich vad a nedostatků.
Obr. č. 22. Jednostranný koutový svar
Na obrázku č. 22 jsou zakroužkovány vady svaru. Jedná se především o nedostatečně provařený kořen, vadu ve svarovém kovu (vměstky) a trhlinu na okraji svaru. Svar je na fotografii zvětšen 16 krát.
48
Obr. č. 23. Neprovařený kořen jednostranného koutového svaru Na obrázku č. 23 je nalevo vidět základní materiál, napravo svarový kov, černý klín uprostřed je neprovařená oblast kořene svaru. Vzorek je zvětšen 100 krát. Použitý přídavný materiál je Al Si 5.
Obr. č. 24. Vznik vad ve svaru Na obrázku č. 24 je vidět jak se ve svaru vytvořilo spoustu černých skvrn vzniklých možnou difuzí vodíku. Dále je zhruba uprostřed obrázku vidět protáhlou strukturu materiálu, jedná se o sloupovité krystaly způsobené rychlým odvodem tepla z jedné strany materiálu. 49
Obr. č. 25. Oboustranný koutový svar
Na obrázku č. 25 zase vidíme nedostatečné provaření kořene svaru. Vzorek je zvětšen 16 krát.
Obr. č. 26. Detail neprovařeného kořene svaru Na obrázku č. 26 je vidět detail vady svaru tj. neprovařený kořen.
50
Obr. č. 27. Trhliny v základním materiálu v blízkosti svaru
Na obrázku č. 27 jsou vidět trhliny v základním materiálu vzniklé tepelným ovlivněním základního materiálu a následným vznikem pnutí při chladnutí.
Obr. č. 28. Svar I ( na tupo) Na obrázku č. 28 je vidět nalevo svarový kov, napravo základní materiál. Tmavá oblast uprostřed je tepelně ovlivněná oblast přechodu svaru mezi svarovým kovem a základním materiálem. Zvětšení je 16 krát. Použitý přídavný materiál je Al Mg 5. 51
Obr. č. 29. Vady v I svaru Obrázek č. 29 znázorňuje černé tečky, což jsou tzv. vměstky, které vznikají během svařování a snižují pevnost svaru. Možný vznik vměstku může být např. reakcí nečistoty v roztaveném svarovém kovu za vzniku plynů, nebo ho může základní či přídavný materiál přímo obsahovat.
Obr. č. 30. Přeplátovaný svar Obrázek č. 30 znázorňuje vady přeplátovaného svaru. Jedná se o místa, ve kterých vůbec nedošlo ke spojení svarového kovu a základního materiálu.
52
Obr. č. 31. Detail nepromísení svarového kovu a základního materiálu Obrázek č. 31 zobrazuje absolutní nepromísení základního materiálu a svarového kovu.
Obr. č. 32. Detail částečného promísení svarového kovu a základního materiálu
7. 2. 2. Výsledky metalografie svarů Výsledkem metalografie svarů jsou fotografie zachycující různé vady svarů vzniklé vlivem nedokonalostí svařování a znečištěním základního materiálu při svařování. Na fotografiích je vidět značné množství vad.
53
8. Závěr Z hlediska dalšího vývoje výroby strojních součástí z hliníku a jeho slitin je předpoklad použití daného materiálu velice vysoký. Je to způsobeno především samotnými vlastnostmi hliníkových slitin. Konstruktéři v dnešní době hledají lehké, tvárné, snadno svařitelné materiály o vysoké pevnosti. Zatím se zdají být nejideálnější hliníkové slitiny. Vzhledem k vývoji svářecí techniky, a tím i nových metod se daří odstranit nedostatky při jeho svařování. Hliník má pro konstruktéry velký potenciál a ještě nějakou dobu mít bude. Na druhou stranu je hliník energeticky náročnější na výrobu než např. polyetylentereftalát (PET). Na výrobu jednoho kilogramu hliníku z rudy se spotřebuje 171,2 MJ/kg energie. Oproti tomu spotřeba energie na výrobu PET činí 69,5 MJ/kg. Při zamyšlení o použití PET na místo hliníku v potravinářském průmyslu např. na plechovky od nápojů se do budoucna vybízí myšlenka úspory energie. V podstatě vývojová tendence tomu napovídá. Z toho plyne, že by se hliník měl používat jen tam, kde je jeho využití nezbytné, přináší prospěch a není možné použít vhodnější materiál. Příkladem může být automobilový průmysl, kdy se použitím hliníku snižuje celková hmotnost vozidla a tudíž není zapotřebí tak silných motorů. Důsledkem toho dochází k nižšímu vyprodukování škodlivých emisí, což má význam ekologický příznivý. Jestliže je použití hliníku v různých odvětvích neúčelné, ale nutné, objevuje se zde možnost recyklace. Recyklace hliníkového šrotu znamená velkou úsporu energie, neboť její spotřeba je ve srovnání s výrobou primárního hliníku pouze 5 %. Podle statistik, každý občan ČR vyprodukuje průměrně zhruba 1,2 kg hliníku ve formě různých obalových prostředků. Při počtu okolo 10 milionů obyvatel ČR jde ročně o 12 000 tun kvalitního materiálu. Ve finále je asi trochu přehnané recyklovat i víčka od jogurtů a jiných výrobků. Se zmíněnou tendencí stále častějšího používání hliníku a jeho slitin se naskytuje možnost stále hojného využití renovací strojních součástí. Případná renovace přináší nejen snížení ekonomické náročnosti na uvedení stroje nebo strojní součásti do provozuschopného stavu, ale i snížení pracnosti oproti výrobě součásti nové, nebo možnost zprovozuschopnění součásti potřebné, ale na trhu již nedostupné. Dalším příznivým ukazatelem u náročnějších celků se zahraniční účastí je úspora času, např.: než vyrobí novou náročnou součást na druhé polovině planety a než se dostane na místo určení, mohou být dávno pomocí renovace uvedeny její vlastnosti do provozuschopného stavu, nebo může být modernizována, a to za mnohem kratší dobu, než výroba nové 54
součásti a samozřejmě za nižší cenu. Hlavní myšlenkou renovace je snížení nákladů při opravách. Podmínkou renovace není nutnost vybavení pracovního místa na takové úrovni jako při výrobě součástí nových. Ve velké míře také záleží na zručnosti a znalostech obsluhy techniky při renovaci. Za takových předpokladů se dá renovovat i ve skromných podmínkách. V experimentální části byl proveden test, z jehož výsledků je prokazatelné složení základního materiálu Al s nespecifikovatelným množstvím Si. Provedený test má pouze orientační výsledek vhodný pro určení složení základního materiálu a po následném vyhodnocení, určení přídavného materiálu. Je použitelný především v oblasti renovace. Samotná příprava, průběh a vyhodnocení testu bylo poměrně jednoduché a časově nenáročné. Je potřebné dodržovat pokyny pro bezpečnost práce s chemikáliemi. V druhé části experimentu bylo provedeno vyhodnocení kvality svarů pomocí metalografie. Byly pořízeny fotografie, z nichž ty nejzajímavější jsou umístěny v této diplomové práci. Jedná se o fotografie, na kterých jsou zachyceny vady svarů. Tyto fotografie také sloužily k potvrzení či vyvrácení první části experimentu a to vizuálním porovnáním zvětšených fotografií vzorků s fotografiemi v odborné literatuře. Na základě toho byl základní materiál určen o složení Al-Cu4-Mg1-Si (dural). Nejčastější vady ve svarech byly způsobeny nedostatečným provařením různých částí svarů. Další vady vyskytující se ve svarech byly vměstky a trhliny. K odstranění zmiňovaných vad ve svarech by bylo potřeba zajistit lepší zručnost svářeče pro odstranění neprovařených částí, dále zajistit co nejvyšší čistotu postupů už od výroby základního a přídavného materiálu, tak i čistotu samotného postupu svařovacího procesu. Tím se zamezí většímu výskytu vměstků ve svaru a základním materiálu. Vzniku trhlin lze zamezit pomocí tepelného zpracování svařené součásti. Hliník a jeho slitiny z hlediska vývoje různých technologií hrají a hrát budou jednu z nezastupitelných rolí. Do budoucna se nepředpokládá vývoj zcela nových chemických složení slitin. Pozornost by se měla věnovat spíše novým postupům tepelného zpracování hliníkových slitin se záměrem zlepšení jeho vlastností (houževnatost, tvárnost, pevnost…).
55
9. Použitá literatura: 1. POŠTA, J. - VESELÝ, P. - DVOŘÁK, M.: Degradace strojních součástí. [Monografie]. Praha, ČZU, 2002, 67 s., ISBN 80-213-0967-9 2. POŠTA, J. - HAVLÍČEK, J. - ČERNOVOL, M.I.: Renovace strojních součástí. Praha, 1998, ISBN 80- 902015-6-3 3. MINAŘÍK, V.: Obloukové svařování 1. vyd. Praha: Scientia, 2003. 240 s. ISBN 807183-285-5. 4. MINAŘÍK, V.: Plamenové svařování. Ostrava : ZEROSS, 2001. 130 s. ISBN 8085771-83-7 5. CÍHA, K. - ČERNOHORSKÝ, M. - RŮŽIČKA, D.: Nauka o materiálu II., Praha: NAKLADATELSTVÍ ČESKOSLOVENSKÉ AKADEMIE VĚD, 1985 6. Název článku: Hliník, dostupné na: www.cs.wikipedia.org/wiki/Hlin%C3%ADk 7. Autor: LOUDA, P. Název prezentace: HLINÍK A JEHO SLITINY, dostupné na: www.kmt.vslib.cz/stare/predm-zs/nm1-d/hlinik.ppt 8. Autor: RB SERVIS Okrouhlice. Název článku: RENOVACE A OPRAVY NÁHRADNÍCH DÍLŮ, dostupné na: www.rbservis.cz 9. Název prezentace: Renovace strojních součástí, dostupné na: www.tf.czu.cz/~PEXA/Budejovice/Prednasky/P-Renovace_soucasti.ppt 10. Autoři: MARTINEC, J. – PLÍHAL, A. Název článku: Svařování hliníku a jeho slitin, dostupné na: www.generalweld.cz/publish.php?akc=detail&node=550000&article=14 11. Autor: ČERVENÝ, P. Název článku: Metal bonding hliníkových slitin, dostupné na: www.mmspektrum.com/clanek/metal-bonding-hlinikovych-slitin Autoři: KOUŘIL, M. – SPÁČILOVÁ, J. Název článku: Nástroje pro obrábění hliníkových slitin s mikroleštěným povrchem, dostupné na: www.mmspektrum.com/clanek/nastroje-pro-obrabeni-hlinikovych-slitin-smikrolestenym-povrchem 12. Název prezentace: HLINÍK A JEHO SLITINY, dostupné na: www.benjamin.ic.cz/hlinik_slitiny.pdf 13. Autor: KULOVANÁ, E. Název článku: Renovace součástí s lomy a trhlinami – metoda Metallock, dostupné na: www.agroveb.cz 14.
Autor:
HERMAN,
P.
Název
článku:
Svarové
spoje,
dostupné
na:
www.svarak.cz/c/cz/svarove-spoje-typy-svarovani-vyhody-a-nevyhody.htm 15. www.products.esab.com/Templates/T095.asp?id=72887&MainHeadCode=Alumin 56
