ZAVARIVANJE ALUMINIJA

Aluminij je materijal koji danas nalazi primjenu u gotovo svim dijelovima industrije, naročito zbog svoje korozijske postojanosti u mnogim medijima. Osim toga, to je materijal s prilično dobrim mehaničkim svojstvima, a i podatan je za obradu svim tehnološkim postupcima. U brodogradnji je posebno interesantan zbog male specifične mase i dobrih mehaničkih svojstava.

zavarivanje aluminijaIpak, u većoj mjeri počeo se koristiti tek u posljednjih četrdesetak godina, i to ponajprije za izgradnju ratnih i brzih putničkih plovila. Njegova mala masa, kao i navedene karakteristike čine ga skoro savršenim materijalom za brodogradnju. Kod nas je njegova upotreba još nekako u povojima. Tek tu i tamo napravi se poneki manji putnički brod ili brodica za prijevoz turista.

U maloj brodogradnji, među brodicama do desetak metara duljine stakloplastika je još uvijek na prvom mjestu. U nekim drugim zemljama, poput primjerice u Australiji, upravo su mala aluminijska plovila preuzela veći dio tržišta. Bilo je pokušaja uvoza i ponude ovih plovila i na našem tržištu, ali odaziva kupaca, čak ni u boljim vremenima nije bilo. Konzervativnost naših kupaca, ali i brodograditelja, i dalje ignorira aluminij i njegove kvalitete. Potpuno neopravdano.

  • Kvalitetne aluminijske legure i sve preciznija i bolja oprema za rezanje i zavarivanje aluminija, tehnološki postaju sve naprednije iz dana u dan, pa nam preostaje nada da će se i na tom području nešto uskoro promijeniti.
  • Ono što danas aluminij čini posebnim kao brodograđevni materijal, to su prvenstveno njegova fizikalna i kemijska svojstva:
  • mala gustoća od 2.600 do 2.800 kg/m³. Drugim riječima, od čelika je lakši za 2,9 puta
  • povoljan odnos težine i čvrstoće, naročito kod nekih slitina
  • dobra otpornost na koroziju prema zraku i različitim oksidirajućim spojevima
  • visoka električna vodljivost koja je 3 do 3,5 puta veća nego kod čelika
  • visoka toplinska vodljivost koja je 13 puta veća nego kod nehrđajućih čelika, a 4 puta veća nego kod nelegiranih čelika. Doseže 40 posto vodljivosti bakra uz 3,3 posto manju težinu
  • nemagnetičnost, što je povoljno za izradu mjernih instrumenata, kućišta kompasa, kormilarnica,...
  • tromost u iskrenju, zbog čega se primjenjuje tamo gdje prijeti opasnost od eksplozije
  • odlična obradivost, posebno mogućnost proizvodnje prešanjem najsloženijih oblika presjeka, izvanredna plastičnost, podatnost za najsloženija duboka izvlačenja
  • dobra zavarljivost (uz primjenu odgovarajućeg postupka)
  • postojanost na niskim temperaturama, jer se mehaničke karakteristike ne mijenjaju pri niskim temperaturama.

Prednosti upotrebe aluminija u maloj brodogradnji

Sve nabrojene karakteristike daju mu mnoge prednosti, naročito kada govorimo o aluminiju kao konstrukcijskom materijalu u brodogradnji. Pritom prvenstveno mislimo na aluminijske legure s magnezijem, manganom i još nekim elementima koje su razvijene posebno za brodogradnju.

Dva su glavna svojstva koja određuju primjenu aluminija kao brodograđevnog materijala:

  • Brodski trup izrađen od aluminijske legure bit će oko 2,9 puta lakši od čeličnog trupa, što sa sobom povlači niz drugih prednosti poput uštede goriva, povećanja brzine itd. U usporedbi sa stakloplastikom, aluminij ima manju masu pri izradi brodice duljih od 10 metara, i ta prednost progresivno raste s veličinom broda.
  • Drugo glavno svojstvo je relativno velika korozijska postojanost unatoč tome što aluminij ima veliki afinitet prema kisiku. Zahvaljujući tome aluminijski brod ne treba premazivati bojama, osim ako se ne želi postići estetski učinak. Osim toga, aluminijske konstruktivne elemente ne treba predimenzionirati kako bi se spriječio gubitak čvrstoće do kojega dolazi uslijed korozije, kao što se to čini kod čelika. Trup se mora bojiti samo ispod vodne linije, i to antivegetativnim premazima.

 

Priprema spoja za zavarivanje

Aluminij se može rezati plazmom, vodenim mlazom, reznim pločama, ubodnom pilom ili cirkularom. Pritom treba paziti na to da su rezne i brusne ploče prilagođene aluminiju. Nikako se ne bi smjele koristiti rezne i brusne ploče koje su namijenjene za čelik! Limovi debljine do 6 mm zavaruju se s I pripremom sa zračnošću od 3 do 5 mm, ovisno o debljini.

Limovi deblji od 6 mm pripremaju se na V, odnosno X ili K za kutne spojeve. Neposredno prije zavarivanja treba očistiti površinski sloj oksida na mjestu zavarivanja i bližoj okolini. Njega je najbolje odstraniti s metalnom četkom, ili još bolje strugačem. Nakon čišćenja površinske korice oksida, budući spoj bi valjalo i odmastiti, i nakon toga dobro osušiti plamenom.

 

Problematika zavarivanja aluminija

Prije nego se upustimo u postupak samoga zavarivanja, treba objasniti neke specifičnosti koje se javljaju kad se aluminij zagrijava i topi. Sam postupak zavarivanja u principu je uvijek elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodnom žicom u zaštitnom plinu, pri čemu se metal topi i očvrsnjuje zajedno s dodanim metalom. Aluminij i njegove legure su podložne visokoj topivosti vodika u talini koji pri hlađenju ostaje zarobljen u spoju te se na taj način dobiva porozni zavareni spoj.
Vodik u talinu može doći iz nečistoća na osnovnom materijalu, plinu, žici, alatu za obradu ili iz atmosfere. Zbog tih utjecaja zavarivanje bi se moralo izvoditi u zatvorenom prostoru zaštićenom od vjetra i po mogućnosti vlage. Za razliku od čelika koji se na odgovarajući način može zavarivati i na otvorenom, aluminij se zbog svojih fizikalnih i kemijskih svojstava, može zavarivati isključivo u zatvorenom prostoru.

Drugo svojstvo aluminija koja otežava zavarivanje je aluminijski oksid koji se stvara na površini i štiti ga od korozije. Temperatura taljenja oksida iznosi oko 2050 °C, dok se sam aluminij topi na oko 658 °C. Iz toga proizlazi da će se aluminij rastaliti prije oksida, a da oksidna korica neće biti razbijena.
Kako bi se to spriječilo, sloj aluminijeva oksida odstranjuje se mehanički, čeličnom četkom ili strugačem, neposredno prije samoga zavarivanja. Pri čišćenju s brusnim listićima treba voditi računa na to da ukoliko su listići lijepljeni organskim ljepilom tada može doći do onečišćenja površine i pojave poroziteta u zavarenom spoju.

 

Postupci zavarivanja aluminija

Zavarivanje aluminijskih legura u odnosu na čelik zahtijeva specifičnu opremu i tehnologiju uz strogo kontrolirane uvjete rada. Zavarivanje se izvodi MIG i TIG postupkom. MIG (Metal Inert Gas) postupak se koristi za zavarivanje strukture i oplate.

Električni luk se uspostavlja između topljive elektrode koja se kroz pištolj za varenje potiskuje prema mjestu zavarivanja. Samo vođenje žice za zavarivanje može biti ručno ili automatsko, ovisno o uređaju koji koristimo za zavarivanje. Kod zavarivanja aluminija, proces se odvija u zaštitnoj atmosferi koju omogućuje inertni plin argon (Ar) ili mješavina argona i helija (Ar+He).

Treba naglasiti da se kod MIG zavarivanja koriste strojevi za impulsno MIG zavarivanje. Na ovaj način potreban je manji unos energije, zavarivač lakše kontrolira talinu, a i čišćenje oksida je bolje. Argon, plin koji se koristi u ovom postupku je inertni plin bez boje, mirisa i okusa. Nije otrovan, ali u zatvorenom prostoru može smanjiti koncentraciju kisika, pa radni prostor mora imati dobru ventilaciju. Argon se može nabaviti u kvaliteti A, B, C i D što označava njegovu čistoću.

U klasi A čistoća mu je 99,999%Ar, dok u u klasi D njegova čistoća iznosi 85%Ar. Za zavarivanje u MIG postupku koristi se argon kvalitete C (99,96%) ili B (99,99%). Plin se isporučuje u bocama koje su označene zelenom bojom. Druga tehnologija koja se rabi za zavarivanje aluminija je TIG, odnosno Tungsten Inert Gas. Ovaj postupak koristi se za manje popravke i detalje koje nije moguće izvesti MIG-om, odnosno kad brzina zavarivanja nije toliko bitna, ali se traži kvalitetan spoj.

Postupak se temelji na uspostavljanju električnog luka između volframove netaljive elektrode i radnog komada, u zaštitnoj atmosferi inertnoga ili neutralnoga plina. Budući da je ovo u biti ručni postupak zavarivanja, nešto je sporiji od MIG postupka, ali daje kvalitetniji spoj, posebno kod zavarivanja tankih limova i profila.

Ovaj postupak ima takozvani efekt katodnog čišćenja pri čemu se razdvajaju i uklanjanju kožice teško topljivoga aluminijskog oksida iz metalne kupke ili s njene površine. Kako se u ovom postupku može bolje kontrolirati unos topline i dodavanje dodatnog materijala, iskusni zavarivač će ovim postupkom postići bolji i kvalitetniji spoj.

Na ovaj način zavarivati se može i bez dodatnog materijala, posebno kod spajanja limova manjih i od 1 mm. Ako se spajaju aluminij i njegove legure koristi se zavarivanje izmjeničnom strujom koja osigurava dobro čišćenje aluminijskog oksida tijekom pozitivne poluperiode.
Ovaj postupak daje odličnu kvalitetu i lijep izgled spoja, no brzina zavarivanja je relativno mala. Kao zaštitni plin koristi se argon. U usporedbi s brodograđevnim čelikom, aluminij i njegove legure zahtijevaju znatno više pažnje i tehnološke discipline u proizvodnom procesu, međutim, uz dobru pripremu i kvalitetno obučen kadar, može se uspješno zavarivati.
Da bi se postigla željena kvaliteta treba imati odgovarajuću opremu za zavarivanje, tehnologiju zavarivanja i odgovarajuće uvjete rada. Najviše pažnje treba obratiti na pripremu, čišćenje i odmašćivanje zone spoja, a potrebno je osigurati i radno mjesto od propuha kako ne bi došlo do nepravilnosti u zavarenom spoju uslijed nedovoljne zaštite plinom.
Kod zavarivanja sučeonog spoja uvijek treba koristiti podlogu, kako bi se talina brže skrutnula. Kao podloga mogu se koristiti deblje ploče od CrNi čelika, bakra ili aluminija. Zavaruje se zdesna nalijevo, a gorionik se drži pod kutom od 75-80°suprotno od smjera zavarivanja, radi boljeg čišćenja oksida.