Aluminium i jego stopy mogą być łączone poprzez spawanie, zgrzewanie oporo-we, zgrzewanie w stanie stałym, lutowanie i klejenie. Spajanie aluminium i jego stopów związane jest z własnościami łączonego materiału, konfiguracją złącza, niezawodnością i solidnością projektu oraz możliwościami produkcyjnymi i warunkami procesu [93Lan, 94Eaa, 03Pil, 05Sac].
Czyste aluminium oraz stopy Al−Mn (3xxx) są bardzo dobrze spawalne. Stopy z magnezem posiadają dobre własności spawalnicze, jednak wykazują zwiększoną skłonność do pęknięć. Zwiększenie zawartości magnezu w stopach Al−Mg (5xxx) po-woduje tendencję do utleniania utrudniające spawanie. Stopy obrabialne cieplnie posia-dają gorszą spawalność w porównaniu ze stopami nieobrabialnymi cieplnie. Stopy Al−Mg−Si (6xxx) zalicza się do grupy stopów o ograniczonej spawalności. Obecność miedzi w stopie powyżej 0,25% zmniejsza spawalność, stąd stopy Al−Cu i Al−Cu−Mg (2xxx) uważane są za niespawalne ze względu na dużą skłonność do powstawania pęk-nięć. Również stopy z serii 7xxx wykazują dużą skłonność do pękania w procesie spa-wania i z tego względu są trudno spawalne. Stopy te można podzielić na dwie grupy: Al−Zn−Mg oraz Al−Zn−Mg−Cu. Stopy Al−Zn−Mg można spawać. Najczęściej stosuje się spoiwo ze stopów aluminium z magnezem, np. 5356. Natomiast stopy z serii 7xxx zawierające miedź uznawane są jako w ogóle niespawalne [03Pil, 04Sob, 10Twi].
Do spawania aluminium i jego stopów stosuje się następujące metody: spawanie gazowe, spawanie łukowe elektrodami otulonymi oraz spawanie łukowe w osłonie ga-zów ochronnych elektrodą topliwą (z ang. metal inert gas welding − MIG) i elektrodą nietopliwą (z ang. tungsten inert gas welding − TIG). Jednak najczęściej używane są dwie ostatnie metody. Metoda MIG jest wydajniejsza i tańsza niż TIG, a także powodu-je mniejsze nagrzewanie i dzięki temu mniejsze odkształcenie elementów spawanych. Jednak zastosowanie MIG w połączeniach doczołowych w pozycji podolnej lub puła-powej wymaga zastosowania podkładek formujących grań spoiny, co nie jest konieczne w przypadku metody TIG. Szeroko stosowane jest spawanie łukowe elektrodą nietopli-wą w osłonie gazów ochronnych (TIG) prądem przemiennym. Podczas tego procesu elektroda wolframowa, co pół okresu zmienia biegunowość. W półokresie dodatnim elektroda punktowa wolframowa będąca anodą emituje mniejszą ilość elektronów niż elektroda punktowa w półokresie ujemnym i następuje czyszczenie katodowe.
Czysz-czenie katodowe, czyli usuwanie warstewek trudnotopliwych tlenków z powierzchni jeziorka, jest bardzo korzystne przy spawaniu aluminium i jego stopów. W związku z wystąpieniem nierównych wartości prądu w poszczególnych półokresach zasilania łuku powstaje w obwodzie spawania składowa stała prądu, która niekorzystnie wpływa na proces spawania i eksploatację urządzeń zasilających. Spawanie prądem stałym elek-trodą ujemną może być użyte z osłoną argonu lub helu. Ochrona helowa jest skuteczna, ale wskazana dla zastosowań, gdzie wymagana jest duża głębokość penetracji i wysokie ciepło wchodzące. W spawaniu łukowym elektrodą topliwą w osłonie gazów ochron-nych (MIG) przy użyciu anody pod prądem stałym, katoda daje ten sam efekt czyszcze-nia powierzchni jak spawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazów ochron-nych. Metoda MIG jest korzystniejsza w przypadku spajania konstrukcji o większych rozmiarach i przy łączeniu elementów o grubości powyżej 5 mm. Natomiast TIG stosu-je się do cieńszych elementów (do 6 mm) [93Lan, 94Eaa, 03Pil, 04Sob, 06Ada, 08Tas].
Ostatnio zastosowanie znajduje również spawanie plazmowe, które przy użyciu prądu przemiennego może być prowadzone z dwukrotnie większą szybkością niż spa-wanie TIG. Takie połączenie cechuje się wysokimi walorami estetycznymi, jednak po-siada gorsze własności mechaniczne wynikające z porowatości spoiny [07Pfe]. Ko-rzystnymi metodami spajania elementów konstrukcyjnych wykonanych ze stopów alu-minium są również nowoczesne metody spawania wysokoenergetycznego skupioną energią: spawanie laserem oraz wiązką elektronów. Bardzo duża koncentracja energii minimalizuje wielkość strefy wpływu ciepła, czyli materiału rodzimego o zmienionej strukturze. Spawanie laserowe pomimo potencjalnie ogromnej wydajności, jest stosun-kowo trudne. Ograniczeniem związanym ze spawaniem laserem jest bardzo niska ab-sorpcyjność promieniowania laserowego przez aluminium. Stąd wymagane jest stoso-wanie laserów o dużej mocy, rzędu kilku kW oraz wykonystoso-wanie spoin na odosobnio-nych, ekranowanych stanowiskach [94Eaa, 05Ahm, 06Ada, 07Pfe]. W przypadku spa-wania wiązką elektronów ograniczeniem jest konieczność stosospa-wania próżni.
Spawanie używane jest głównie do łączenia czystego aluminium, nie obrabial-nych cieplnie stopów Al−Mn oraz Al−Mg i niektórych obrabialnych cieplnie stopów Al−Zn−Mg. Wysokowytrzymałe stopy Al−Cu−Mg i Al−Zn−Mg−Cu, stosowane głów-nie w konstrukcjach lotniczych, są trudne do efektywnego spawania, stąd łączy się je przeważnie za pomocą nitowania lub zgrzewania punktowego [93Lan]. Zgrzewanie oporowe punktowe jest używane do łączenia blach aluminium np. karoserie w
przemy-______________________________________________________________________ punktowego. Obecność warstwy trudnotopliwych tlenków na powierzchni metalu może spowodować niekontrolowane wahania rezystancji powierzchni i stąd konieczne jest czyszczenie powierzchni przed łączeniem. Ze względu na wysoką przewodność elek-tryczną i cieplną, konieczne są transformatory wysokoprądowe do zgrzewania. Zmiany objętości podczas krzepnięcia i chłodzenia wymagają ostrożności i szybkiej kontroli obciążenia elektrody. Wszystkie stopy aluminium mogą być łączone tą metodą [93Lan].
Zgrzewanie zgniotowe jest stosowane do łączenia aluminium w specjalnych za-stosowaniach szczególnie łączeniu pancerza cięgna skrzyni biegów. Stopy nieobrabial-ne cieplnie łatwo się zgrzewa tą metodą. Do łączenia aluminium i jego stopów wyko-rzystuje się także zgrzewanie ultradźwiękowe, zgrzewanie tarciowe, zgrzewanie wybu-chowe czy zgrzewanie elektronowe. Wszystkie stopy aluminium można także zgrzewać iskrowo, uzyskują złącza o wytrzymałości na rozciąganie równej ok. 80 %
wytrzymało-ści materiału rodzimego. Metoda ta używana jest również do łączenia aluminium z
mie-dzią [93Lan].
W ostatnich latach bardzo dużą popularnością wśród metod spajania stopów alu-minium cieszy się metoda zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny FSW. Technika ta została wynaleziona przede wszystkim do spajania trudno lub w ogóle niespawalnych stopów aluminium. Jest ona bardzo efektywna i z powodzeniem można ją zastosować wszędzie tam gdzie stosowane są konwencjonalne metody spawa-nia (tab. 3.1) [03Kou, 03Pie1, 05Mis, 07Mis].
Tablica 3.1. Porównanie metod spawalniczych stosowanych do spajania stopów alumi-nium (T – możliwe, N – niemożliwe, W – połączenie wielowarstwowe) [03Pie1, 98Sam].
Konfiguracja złącza Grubość [mm] Doczołowe Zakładkowe Metoda 1 – 5 5 − 12 12 − 25 > 25 1 – 5 5 − 12 12 − 25 > 25 FSW T T T T T T T N MIG T T W W N N W W TIG/Plazma T W W W T W W W Laser T T T T T T N N Wiązka elektro-nów T T T T T T T T Zgrzewanie punktowe/liniowe T N N N T N N N
W wielu zastosowaniach konieczne jest połączenie aluminium, czy też jego stopu, z innymi materiałami (np. stalami węglowymi czy stalami austenitycznymi Cr−Ni). Dotyczy to kriogenicznego sprzętu, szyn zbiorczych, naczyń. W tych zastosowaniach spawanie nie jest praktyczne z powodu tworzenia się kruchych międzymetalicznych związków. Dlatego do uzyskania takich złącz stosuje się lutowanie, klejenie, zgrzewa-nie wybuchowe i zgrzewazgrzewa-nie tarciowe. Dla elementu o okrągłym przekroju, zgrzewazgrzewa-nie tarciowe jest najlepszą metodą; mocne złącze można uzyskać mimo obecności kruchych związków w punkcie styku. Zgrzewanie ultradźwiękowe może być używane do łączenia przewodów do powierzchni pokrytych aluminium na urządzeniach półprzewodniko-wych. Jest to typ mikrozgrzewania. Szczególne zainteresowanie tą metodą istnieje w przemyśle elektronicznym [93Lan].
W przypadku złożonych konstrukcji, np. chłodnica samochodowa, płytowe wy-mienniki ciepła, do łączenia poszczególnych elementów stosuje się lutowanie. W zależ-ności od temperatury topnienia lutu rozróżnia się: lutowanie twarde (powyżej 450oC, ale poniżej temperatury solidus) i lutowanie miękkie (poniżej 450oC). Najczęściej lu-towanie twarde stosuje się do aluminium (1xxx), stopy Al−Mn (3xxx), stopy 5xxx o niskiej zawartości magnezu (np. stop 5005), przy czym stopy z tej serii zawierające mangan są trudne do lutowania ze względu na gorszą zwilżalność powierzchni. Zakres temperatury topnienia lutów twardych przeważnie wynosi 560 – 610oC. Wśród stopów obrabialnych cieplnie do lutowania twardego nadają się tylko stopy z serii 6xxx. Nato-miast stopy 2xxx i 7xxx nie nadają się do lutowania, ponieważ pomiędzy ich temperatu-rą topnienia a temperatutemperatu-rą topnienia lutów jest zbyt mała różnica. Temperatura solidus większości stopów z tych serii jest niższa niż 560oC. Jako luty twarde stosuje się stopy Al-Si (o zawartości krzemu 7 – 12%), Al−Cu−Si, Al−Cu−Si−Zn, Al−Zn, Al−Cu−Si−Cd−Sn. Luty mogą być w postaci drutu, prętów, folii lub proszku, a w nie-których przypadkach używa się lutów w postaci plateru naniesionego na podłoże alumi-niowe, które może być różnie kształtowalne. Te luty są stosowane przy lutowaniu pie-cowym lub kąpielowym elementów o złożonym kształcie (np. przy wymiennikach cie-pła). Do lutowania stosuje się topniki nieorganiczne na bazie chlorków i fluorków. Ich pozostałości po lutowaniu wymagają usunięcia z powierzchni złączy (przez spłukanie gorącą wodą lub poprzez czyszczenie chemiczne), gdyż wykazują silne własności koro-zyjne. W przypadku lutowania miękkiego nie używa się lutów na bazie aluminium. Sto-suje się luty zawierające cynk, cynę, kadm oraz ołów, np. Zn−10Cd (zakres temperatury
______________________________________________________________________ topnienia 265 – 400oC), Sn−30Zn (199 – 311oC) lub Pb−34Sn−3Zn (195 – 256oC). Luty cynkowe i cynkowo-kadmowe są używane z topnikiem chlorku cynku dając połączenie względnie odporne na korozję. Luty o niższej temperaturze topnienia ogólnie mają ni-ską wytrzymałość i słabą odporność na korozję. Aluminium może być lutowane z sobą i z stalami węglowymi, nierdzewnymi, stopami niklu i miedzi. [93Lan, 96Pol, 03Pil, 04Sob].