INŻYNIERIA SPAWALNICZA - LUTOSPAWANIE Wstęp Konwencjonalne metoda produkcji wyrobów ocynkowanych polega na łączeniu materiału i po wykonaniu wyrobu pokryciu go antykorozyjną warstwą cynku. Współczesne technologie pozwalają również na produkcję wyrobów z materiałów już ocynkowanych. Ocynkowane blachy w procesach ciągłych znalazły zastosowanie w produkcji zamkniętych i otwartych profili zimnogiętych. Opanowanie spawalniczych metod łączenia profili ocynkowanych otworzyło nowe rynki i możliwości zastosowań. Poniższe, krótkie opracowanie poparte kilkuletnim doświadczeniem w stosowaniu ocynkowanych profili stalowych i metodami ich łączenia ma za zadanie przybliżenie tych technologii małym firmom branży metalowej i zachęcenie do ich stosowania głównie ze względu na niższe koszty wytwarzania. Jak zauważyłem, największa barierą w stosowaniu nowych technologii w małych firmach nie są problemy związane z koniecznością poniesienia dodatkowych kosztów wdrożenia nowej technologii, ale bariera psychologiczna, niewiedza i nieuzasadnione obawy co do jakości wyrobu gotowego. Pomimo to coraz większa liczba przedsiębiorców z powodzeniem korzysta z nowej technologii, której stosowanie wymusza rynek i konkurencja. Lutospawanie Lutospawanie MIG/MAG przyjęło nazwę utworzoną z dwóch różnych technologii. Lutowanie jako proces spajania, w którym nie następuje stopienie materiału rodzimego tylko lutu oraz technologii spawania MIG/ MAG, z której wykorzystano przygotowanie brzegów materiału jak do spawania oraz sposób stapiania drutu w łuku elektrycznym w atmosferze gazów ochronnych, podawanego automatycznie ze szpuli. Lutospawanie można by, więc nazwać lutowaniem metodą spawalniczą. Używanym gazem ochronnym jest najczęściej czysty argon W procesie spawania parujący cynk jest przyczyną porowatości spoin, ponieważ wysokie temperatury powstające w tym obszarze niszczą warstwę ochronną, elementy łączone tracą swoją odporność korozyjną. Mechaniczne usuwanie cynku przed spawaniem jak i ponowne nakładanie w miejscach, gdzie nastąpiło odparowanie jest procesem bardzo kosztownym. Uzupełnianie ubytków preparatami cynkowymi ( farbami) niedostatecznie zabezpiecza konstrukcję przed korozją. Ponadto należy zwrócić uwagę, że przy spawaniu blach ocynkowanych następuje bardzo duża emisja szkodliwych dla zdrowia oparów cynku. Niedogodności tych można uniknąć przy zastosowaniu technologii lutospawania metodą MIG/ MAG. Jako materiał dodatkowy stosuje się najczęściej spoiwa na bazie miedzi. Są to druty oznaczone jako CuSi3 lub SG –CuAl (do alucynków i blach aluminiowanych). Właściwości mechaniczne spoiwa Rm: 350-450 N/ mm2, twardość 80HB zakres temperatur topienia 910- 1025 stopni Celsjusza. Do spawania należy stosować półautomaty z możliwością szybkiej "samoregulacji łuku" przy wahaniach długości wolnego wylotu drutu elektrodowego z podajnikiem cztero rolkowym wyposażonym maksymalnie w trzymetrowy uchwyt z wkładem teflonowym. Lutospawanie MIG/MAG znalazło zastosowanie przy spajaniu blach o grubości od 0,5 do 3 mm pokrytych cienką powłoką cynku do grubości 5 - 15 mikrometrów ( obecnie również znacznie grubsze powłoki cynku ogniowego), jak również do cienkich blach ze stali nierdzewnych i połączeń różnoimiennych np. miedzi ze stalą, stali kwasoodpornej ze stalą zwykłej jakości, aluminium z blachą ocynkowaną. Niewątpliwą zaletą metody lutospawania jest utrzymanie ochronnej powłoki cynkowej na styku lutowie-cynk. Temperatura łuku nie powinna przekraczać temperatury parowania cynku, toteż cynk nie odparowuje(lub odparowuje w niewielkim stopniu), a jedynie chwilowo stapia się, nie powodując ubytków w ochronnej powłoce cynkowej. W przypadku powstania niewielkich ubytków powłoce cynkowej, ochrona katodowa cynku zabezpiecza stal w dalszym ciągu przed korozją. Wadą natomiast jest stosunkowo jest wysoki koszt wykonania samej spoiny, na który składa się przede wszystkim koszt drutu i gazu osłonowego (argon) oraz estetka wykonania (czerwona spoina na błyszczącym cynkowym tle). Mimo tych wad, jak pokazuje doświadczenie, wykorzystując metodę lutospawania w produkcji ogrodzeń i balustrad można ograniczyć koszty wytworzenia wyrobu o 5-20 %. Wynika to z eliminacji lub ograniczenia następujących operacji produkcyjnych: - przygotowania materiału do cynkowania (np. eliminacja wiercenia otworów technologicznych), - wyeliminowania kosztów transportu do i z cynkowni, oraz czynności z tym związanych, - znaczne ograniczenie zakresu przygotowania powierzchni do lakierowania (gładka powierzchnia), - ograniczenia ilości odpadów profili ocynkowanych niemal do zera (istnieje możliwość zakupu profili w długościach ścisłych w niewielkich ilościach), - prostowanie po cynkowaniu ( brak występowania naprężeń spawalniczych i tym samym zagrożenia deformacji kształtu w procesie produkcyjnym) - ponownego gwintowania zalanych cynkiem gwintów. Niewątpliwą zaletą jest również często kilkukrotne skrócenie cyklu produkcyjnego. Badania wytrzymałościowe wykonywane na złączu doczołowym blach obustronnie pokrytych elektrolitycznie cynkiem w próbie rozciągania wykazały następujące właściwości: - Rm ok. 350 N/mm2 - A 20% W próbie przeginania bezproblemowo uzyskano kąt 180stopni. Występuje jednakże liniowy spadek osiąganego kąta gięcia wraz ze wzrostem grubości łączonych blach. Pomiary twardości w obszarze stal - lutowie wykazują regularny rozkład na poziomie 110 HB. Na przekroju próbki widać wyraźnie granice między materiałem rodzimym, a lutowiem. Oznacza to, że w przeciwieństwie do połączeń spawanych nie występuje obszar wymieszanego materiału rodzimego ze spoiwem. Ilość i rozmiary wnikniętego lutowia są nie tylko uzależnione od grubości łączonych blach, ale również od pozycji lutowania. Średnie wartości długości wdyfundowanego lutowia nie przekraczają 10% grubości blachy. Lutospawanie znane jest od dziesiątek lat, w ostatnim jednak okresie technologie lutowania i lutospawania przeżywają swoisty renesans, nastąpił znaczny postęp umożliwiający łączenie materiałów nie tylko metalowych, ale i ceramicznych. Lutospawanie znalazło zastosowanie tam, gdzie w znaczący sposób ta technologia przeważa nad klasycznymi technologiami spawalniczymi, zachowując wymagane właściwości mechaniczne połączenia przy jednoczesnym zachowaniu właściwości antykorozyjnych. Dużo niższa energia liniowa wydatnie zmniejsza naprężenia i skurcze spawalnicze, co jest natychmiast widoczne przy realizowaniu przestrzennych połączeń elementów cienkościennych. Niska twardość lutu ma znaczny wpływ na koszt obróbki mechanicznej po spawaniu. W Polsce i na świecie metoda ta znalazła szerokie zastosowanie w następujących obszarach: - przemysł motoryzacyjny (produkcja nadwozi samochodowych np. Audi, naprawy blacharskie), - przemysł wentylacyjny, - produkcja ogrodzeń – bramy, furtki, przęsła ogrodzeniowe, - produkcja balustrad, poręczy, - elementy metalowe małej architektury. Spawanie blach i profili ocynkowanych. Spawanie blach ocynkowanych konwencjonalnymi metodami prowadzi do wypalania cynku spowodowanego wysoką temperaturą i porowatość spoiny. Zmniejsza to wytrzymałość spoiny niszczy antykorozyjną ochronną powłokę cynkową. Ponadto opary cynku są powodem ostrych zatruć pracowników powodując tzw. gorączkę cynkową. W tym przypadku niezbędne jest usunięcie ochronnej warstwy cynku zespawanie i ponowne zabezpieczenie spoiny preparatem antykorozyjnym. Generuje to dodatkowe koszty i nie zabezpiecza powierzchni spoiny w pełnym stopniu. Poza lutospawaniem, które wykonane prawidłowo, nie narusza ochronnej powłoki cynkowej na rynku są dostępne dwie metody spawania blach (profili ocynkowanych): - spawanie specjalnymi elektrodami przeznaczonymi do materiałów ocynkowanych(np. Castolin 6868XHD, Rutweld Z), - spawanie drutem proszkowym z rdzeniem metalicznym przeznaczonym do blach o grubościach 0,8- 4 mm. (np.Safdual ZN) Główną ideą spawania blach ocynkowanych jest doprowadzenie zredukowanego ciepła w miejsce powstawania spawu i ograniczenie strefy wpływu ciepła powodującego odparowanie cynku. W przypadku stosowania drutu Safdual ZN firmy Air Liquide, należy stosować następujące parametry: - prąd stały, - ujemna biegunowość drutu (nie funkcjonuje przy dodatniej biegunowości drutu), -wymaga bardzo niskiego napięcia 9,5-12V, - zalecany gaz Argon/CO2, ArgonCO2/O2 Spawanie blach ocynkowanych prowadzi się jednościegowo, spoina jest odporna na korozję, zwarta, bez porów, z ładnym licem, nie występuje zniszczenie powłoki cynkowej brzegów spoiny, lub jest mocno ograniczone, występuje niewiele odprysków. Kilka słów o powłoce cynkowej Jedną z najbardziej rozpowszechnionych i skutecznych metod zabezpieczania antykorozyjnego jest cynkowanie. Powłoki cynkowe można nakładać różnymi metodami. Dobór poszczególnych metod zależy od rodzaju, kształtu i wielkości pokrywanego wyrobu, oraz jego przeznaczenia i wymaganej własności powłoki, a także wymaganej grubości i równomierności powłoki. Istnieje pięć zasadniczych metod nakładania powłok cynkowych, z których każda ma swoje charakterystyczne zastosowanie. Do metod tych należą: - cynkowanie ogniowe (zanurzeniowe), polegające na zanurzaniu pokrywanych wyrobów w płynnym cynku, - cynkowanie elektrolityczne (powłoki galwaniczne), - szerardyzacja, polegająca na obróbce małych części w mieszaninie zawierającej pył cynkowy, proces ten przeprowadza się w podwyższonych temperaturach. Pod wpływem działania podwyższonej temperatury następuje dyfuzja cynku do powierzchni pokrywanych wyrobów, - cynkowanie metodą metalizacji natryskowej, polegające na nakładaniu cynku, znajdującego się początkowo w postaci drutu lub proszku - za pomocą specjalnego pistoletu, w którym następuje stopienie cynku i natryskanie go w postaci bardzo drobnych cząsteczek, na pokrywanej powierzchni, - stosowanie powłok malarskich zawierających pył cynkowy. Cynkowanie ogniowe zwane też zanurzeniowym jest jedną z najskuteczniejszych metod antykorozyjnego zabezpieczenia konstrukcji stalowych. Proces polega za zanurzeniu elementu w wannie z roztopionym stopie cynku o temperaturze 450 - 460 oC. Przy tej temperaturze następuje dyfuzja cząstek cynku w zewnętrzną warstwę stali w wyniku, której tworzy się silne wiązania międzycząsteczkowe Fe-Zn. Podczas procesu powstaje kilka warstw stopowych, które decydują o bardzo dobrej przyczepności do podłoża stalowego.  Zewnętrzną powierzchnię stopu stanowi powłoka czystego cynku. Stop Fe-Zn zapewnia dużą odporność mechaniczną powłoki oraz chroni przed korozją nawet po uszkodzeniu zewnętrznej warstwy czystego cynku. Grubość warstwy całkowitej, zależy od grubości materiału konstrukcji stalowej i wynosi od 45 do 280 µm. Okres trwałości powłoki cynkowej zależy m.in. od: kwasowości opadów deszczowych, erozji mechanicznej, agresywności środowiska, w którym przebywa ocynkowana konstrukcja i grubości powłoki cynkowej. Orientacyjna szybkość, z jaką ulega zniszczeniu powłoka cynkowa, wynosi 0,1- 2 m m/rok warunkach wiejskich i 0,7- 3 m m/rok w warunkach miejskich. Skuteczność ochrony antykorozyjnej w niezbyt agresywnych warunkach, w zależności od grubości warstwy cynku może wynosić nawet kilkadziesiąt lat. Odmianą cynkowania ogniowego jest proces ciągły cynkowania taśm stalowych. Walcowana na zimno taśma będąca materiałem nośnym zostaje oczyszczona, wyżarzona, a następnie poddana cynkowaniu w kąpieli płynnego cynku. Żądaną grubość powłoki cynkowej uzyskuje się za pomocą dysz zgarniających. Podczas krzepnięcia warstwy cynkowej tworzy się typowa mikrostruktura powierzchni. Wielkość tzw. kwiatu cynkowego jest sterowana poprzez kontrolowane krzepnięcie warstwy cynkowej lub skład chemiczny kąpieli cynkowej. Podobnie odbywa się produkcja powierzchni bezkwiatowej. Blacha ocynkowana ogniowo pozwala się zasadniczo obrabiać jak blacha zimnowalcowana. W zależności od gatunku nadaje się do skomplikowanych procesów obróbki plastycznej, łącznie z głębokim tłoczeniem. Natomiast wyroby stalowe cynkowane metodą jednostkową z reguły w dłuższym czasie kilku lub nawet kilkunastu minut, posiadają grubsze i liczniejsze warstwy stopowe, które w zasadzie uniemożliwiają odkształcenie plastyczne takich powłok.   Mechanizm ochronny warstwy cynku opiera się na wytworzeniu warstwy pokrywającej i jej katodowym działaniu ochronnym. Katodowe działanie ochronne jest skuteczne tam, gdzie materiał nośny nie jest pokryty warstwą cynku(krawędzie, uszkodzenia powierzchni). Doświadczenie wykazuje, że ochrona krawędzi ocynkowanych ogniowo blach cienkich sięga z reguły 1-2 mm. W przypadku blachy o grubości powyżej 1,5 mm krawędzie wskutek korozji żelaza mogą zabarwiać się na brązowo. Proces ten jest ograniczony i nie wpływa na właściwości eksploatacyjne. Powstające w trakcie obróbki mikropęknięcia powłoki cynku nie stanowią żadnego problemu korozyjnego na skutek katodowego oddziaływania ochronnego cynku. Klasyczne technologie łączenia stali ocynkowanych takich jak: nitowanie, połączenia śrubowe, rowkowanie itp. można stosować bez ograniczeń, ponieważ ochronne działanie cynku nie zostaje naruszone. W przypadku połączeń z innymi metalami należy uwzględnić wystąpienie elektrochemicznej różnicy napięć, i niebezpieczeństwo korozji kontaktowej rozwijającej się w szybkim tempie. W przypadku stykania się stali kwasoodpornej z powierzchnią ocynkowaną widoczne znaki korozji mogą wystąpić nawet w ciągu 3-4 tygodni. Konwencjonalne metody spawania stali ocynkowanej powodują uszkodzenie powłoki cynkowej i konieczność powtórnego zabezpieczenia antykorozyjnego spoiny. Technologie spawalnicze przeznaczone do łączenia stali ocynkowanych zabezpieczają całkowicie przed uszkodzeniem ochronnej warstwy cynku lub ograniczają uszkodzenia do niewielkich rozmiarów nie powodujących likwidacji antykorozyjnej ochrony warstwy cynku. Możliwość obróbki plastycznej blach cynkowanych ogniowo wykorzystano między innymi w produkcji zgrzewanych profili zamkniętych. Miejsce zgrzewu od strony zewnętrznej jest wyrównywane i metalizowane natryskowo cynkiem. Stronę wewnętrzną zgrzewu pozostawia się nieobrobioną i nie pokrytą cynkiem (ochrona katodowa). Profile ocynkowane stosowane są głównie w produkcji wyrobów pokrywanych lakierami proszkowymi lub eksploatowanych w niezbyt agresywnych środowiskach. Spowodowane jest to najczęściej cieńszą powłokę cynkową blach ocynkowanych, w wyrobach takich powłoka cynkowa stanowi wtórną barierę antykorozyjną. Trzeba zaznaczyć, że grubość powłok cynkowych wyznacza zazwyczaj cena, a nie trwałość antykorozyjna wyrobu. Niektórzy dostawcy na rynek warszawski: Promis s.c. ul. Mory 8 tel. 0-22 837-95-92 sprzęt spawalniczy, materiały, technologie, doradztwo techniczne Profil s.j. ul. Fabryczna 1 42-580 Wojkowice 0-32 769 62 00 profile ocynkowane zamknięte ocynkowane od 25x25 do 80x80 , rury, prostokąty elektrody do spawania blach ocynkowanych, materiały Messer Eutectic Castolin Sp. z o.o. 02-798 Warszawa ul. Patriotów 110 lok.112B tel +48 22 33 22 142 fax +48 22 33 22 143 Opracował: Marek Gawłowski Stowarzyszenie Inżynierów Polskich