Přibližně 70 % plechů v automobilovém a dodavatelském průmyslu je dnes elektrolyticky pozinkovaných. Tenká vrstva zinku spolehlivě chrání před korozí a zvyšuje životnost i hospodárnost dílů. Svařování pozinkovaného materiálu sice v zásadě možné je, avšak ne bez ztráty kvality. Rozhodující proto není otázka, zda je možné svařovat, ale zda to vzhledem k nevýhodám, které tím vznikají, vůbec dává smysl – a proč se jako alternativní způsob spojování pozinkovaných plechů nabízí zejména pájení.
Lze pozinkovaný plech svařovat? Přehled omezení
„Pozinkované plechy lze samozřejmě svařovat zcela konvenčním způsobem – z technického hlediska nepředstavuje vůbec žádný problém,“ vysvětluje Bernd Rutzinger, Coordinator Bodywork ve společnosti Fronius International. Zároveň však poukazuje na problémy s kvalitou, které s tím souvisejí. Mezi ně patří mimo jiné:
- zvýšené vytváření rozstřiků
- nerovnoměrná tvorba svarových spojů
- tvorba pórů
Tvorba pórů u koutového svaru svařeného metodou MAG
Kromě toho se při svařování poškodí zinková vrstva, čímž dojde ke ztrátě ochrany proti korozi. Vzhledem k vysokým teplotám a malé tloušťce plechu se to často týká dokonce i zadní strany dílu. I samotný svarový spoj je náchylný ke korozi, protože při svařování MSG‑je vyroben z oceli. Dalším klíčovým problémem u tenkých plechů je deformace v důsledku vysokého vnosu tepla.
Příčinou těchto problémů s kvalitou jsou odlišné vlastnosti oceli a zinku: Teplota tání oceli přesahuje 1 500° C, zatímco zinek se taví již při teplotě kolem 420° C a odpařuje se při teplotě 900° C.
Právě tyto zinkové výpary představují při spojování pozinkovaných plechů největší problém: Zinek se odpařuje již v okamžiku, kdy oblouk dodává energii k roztavení základního materiálu. Plynný zinek se zachycuje v tavenině a způsobuje vznik pórů. Kromě toho zinkové výpary ovlivňují samotný proces: „Vznikající zinkové výpary vytvářejí protitlak, který působí proti tlaku oblouku. Síly, které tím vznikají, destabilizují oblouk,“ říká Bernd Rutzinger.
Bernd Rutzinger, Coordinator Bodywork ve společnosti Fronius International
Jak se vyhnout zinkové horečce: bezpečnost práce při svařování pozinkovaného plechu
Bernd Rutzinger, který se svařovacími a spojovacími procesy zabývá již více než 30 let, zdůrazňuje význam bezpečnosti práce: „Mimořádně důležitým tématem jsou toxické zinkové výpary. Pokud se jich nadýcháte příliš mnoho, může to vést k tzv. zinkové horečce. Proto je důležité věnovat pozornost dobrému odsávání.“ Zinková horečka se projevuje příznaky podobnými chřipce, jako je vysoká horečka, únava a bolesti svalů a kloubů.
Jak funguje pájení MIG? Jednoduché vysvětlení procesu
Alternativou ke svařování je tzv. pájení MIG. Jedná se také o obloukový proces, který se však v jednom zásadním bodě liší: Zatímco při svařování se základní materiál roztaví, při pájení zůstává pevný. Místo toho se roztaví přídavný materiál na bázi mědi, který vytváří spojení mezi díly.
„U pájení MIG hovoříme o vysokoteplotním pájecím procesu s teplotami přesahujícími 900 °C,“ vysvětluje Bernd Rutzinger. „Rozhodující je, že pájka má nižší bod tání než základní materiál. Zatímco ocel se taví při teplotě kolem 1 500 °C, bod tání pájky je přibližně 1 000 °C. To vede k výrazně sníženému vnosu tepla do dílu,“ dodává.
I při pájení MIG vznikají zinkové výpary. Sice v podstatně menším množství než při svařování, nicméně dostatečné odsávání a vhodná ochranná opatření zůstávají základním předpokladem pro bezpečné použití.
Během svařování se samotný základní materiál zahřívá až na teplotu tání a vytváří tavnou lázeň. Při pájení naopak základní materiál zůstává pevný – pouze pájka s nižší teplotou tání se roztaví a smáčením spojí díly.
Proč je u pozinkovaných plechů pájení vhodnější
Právě tento menší vnos tepla je při spojování pozinkovaných plechů velkou výhodou. „Jde o to mít vnos tepla co nejmenší,“ popisuje Bernd Rutzinger.
Vnos tepla lze vyjádřit prostřednictvím tzv. traťové energie: vyplývá z proudu, napětí a rychlosti svařování. Při pájení MIG stačí nižší energie, protože se taví pouze přídavný materiál, nikoli však základní materiál.
Zároveň tento proces umožňuje vysoké procesní rychlosti: „U procesu CMT Braze + od společnosti Fronius jsme na třech metrech za minutu. Tím se pohybujeme na úrovni laserového svařování,“ říká Bernd Rutzinger.
To má přímý dopad na celý proces: vzniká méně zinkových výparů, oblouk zůstává stabilní a tvorba pórů je omezena. Současně se snižuje deformace dílů, což je rozhodující výhoda, zejména u tenkých plechů.
Kapilární efekt: jak pájka vyplňuje styčnou mezeru
Další výhodou pájení je tzv. kapilární efekt. „Pájka je do styčné mezery doslova vtažena,“ popisuje tento jev Bernd Rutzinger. Zejména v automobilovém průmyslu hraje tento jev klíčovou roli, protože styčné mezery zde nejsou žádnou výjimkou: „Styčná mezera o velikosti jednoho milimetru není v automobilovém průmyslu nic neobvyklého.“
Zatímco při svařování mohou styčné mezery rychle vést k problémům, při pájení se dají mnohem lépe přemostit. Při svařování má vzduch ve styčné mezeře izolační účinky. Energie se tak soustředí v horním plechu a může dojít k propálení.
Při pájení se naopak styčná mezera cíleně využívá: pájka vtéká do mezery a rovnoměrně se distribuuje. Zároveň mohou vznikající zinkové výpary unikat, čímž se omezuje tvorba pórů a proces zůstává stabilní.
Katodová ochrana: ochrana proti korozi zůstává zachována
Ochrana pozinkovaných plechů proti korozi nespočívá pouze v samotné ochranné zinkové vrstvě, ale především v takzvané katodové ochraně.
Zinek zde funguje jako neušlechtilý kov (anoda) a předává elektrony oceli. Ocel se tak stává katodou a je aktivně chráněna před korozí. I když se zinková vrstva místně přeruší, tento ochranný účinek zůstává zachován a působí u nechráněných oblastí až do hloubky dvou milimetrů.
„Při pájení sice dochází k mírnému spálení zinku na povrchu v okolí spoje, ale tato oblast je tak malá, že ji katodová ochrana zcela pokrývá. Zinek i nadále chrání ocel – nedochází k žádné korozi,“ vysvětluje Bernd Rutzinger.
Další výhoda je patrná na zadní straně dílu:
„Zde se zinek ani neodpařil, ani nespálil – ochrana proti korozi zůstává zcela zachována. Při svařování oceli se naopak vrstva zinku na zadní straně zcela ztratí,“ dodává.
Kde se pájení MIG skutečně používá
Pájení MIG se používá především v průmyslové výrobě, zejména v automobilovém průmyslu. Zde se zpracovávají převážně tenké, elektrolyticky pozinkované plechy, u nichž je rozhodující jak ochrana proti korozi, tak kvalita svarů.
„V automobilovém průmyslu se používají převážně tenké plechy – typicky od asi jednoho milimetru a méně,“ popisuje specifika Bernd Rutzinger. Typickou oblastí použití je výroba karoserií, například u střešních nebo bočních dílů.
Kromě vzhledu hraje klíčovou roli také mechanická zatížitelnost. I přes nižší vnos tepla splňují spoje požadavky na pevnost. „Při tahových zkouškách vždy došlo k prasknutí základního materiálu – nikdy ne spoje,“ vysvětluje B. Rutzinger. Pájení MIG tak splňuje klíčový požadavek karosářského průmyslu: Spoj nepředstavuje slabé místo, ale je minimálně stejně odolný jako okolní díly.
Technologický vývoj: proč dnes pájení MIG funguje
Samotné pájení MIG není novým procesem. Již v 60. letech 20. století se objevily první pokusy o spojování pozinkovaných plechů s přídavnými materiály na bázi mědi. V praxi však realizace dlouho selhávala kvůli omezeným možnostem dostupných přístrojových technologií.
Teprve invertorová technologie z 80. a 90. let umožnila stabilní regulaci v nízkém proudovém rozsahu – tedy přesně tam, kde funguje pájení MIG. „Mluvíme tu o 40 až 50 ampérech. Svařovací přístroje to tehdy prostě nedokázaly stabilně regulovat. Docházelo k mnoha rozstřikům a neklidnému oblouku – z hlediska procesní technologie to bylo stěží zvládnutelné. Vývoj invertorových přístrojů představoval velký technologický pokrok,“ popisuje tehdejší výzvy Bernd Rutzinger.
Až teprve tento technologický pokrok umožnil, aby se pájení MIG stalo reprodukovatelným a průmyslově použitelným procesem.
Vhodný svařovací přístroj pro pájení MIG
Ze všech těchto bodů je zřejmé, že při spojování pozinkovaných plechů nejde tolik o základní proveditelnost svařování, ale o bezpečnost procesů, kvalitu a zachování ochrany proti korozi. Pájení MIG spojuje několik rozhodujících výhod:
- nízký vnos tepla,
- méně zinkových výparů,
- stabilní obloukové procesy,
- vysoce kvalitní svarové spoje.
Aby bylo možné tyto výhody spolehlivě využít v praxi, jsou potřeba moderní invertorové svařovací přístroje s přesným řízením v nízkém proudovém rozsahu, protože právě ty jsou základem stabilních procesů pájení MIG. V průmyslové výrobě se k tomuto účelu používají především systémy řady Fronius TPS/i, které lze volitelně doplnit o procesy CMT nebo CMT Braze+.
Chcete se s procesem CMT seznámit podrobněji? Navštivte naše webové stránky – najdete tam komplexní základní informace o této technologii a možnostech jejího použití.
Nejčastější dotazy k práci s pozinkovanými plechy
1) Co je zinková horečka a jaká jsou zdravotní rizika při svařování pozinkované oceli?
Zinková horečka (Metal Fume Fever) je způsobena vdechováním kouře oxidu zinečnatého, který se uvolňuje při svařování pozinkovaných materiálů. Tento kouř je zdraví škodlivý a může vyvolat příznaky jako bolesti hlavy, horečka, zimnice, únava a bolesti kloubů – podobně jako u chřipky.
Pokud se tyto potíže objeví, je třeba je brát vážně. Ještě lepší je však nedopustit, aby k této situaci vůbec došlo: Účinné odsávání a svářečské kukly s přívodem čerstvého vzduchu výrazně snižují zátěž způsobenou kouřem a částicemi.
V tomto blogovém příspěvku se dozvíte, jaké zkušenosti mají osoby postižené zinkovou horečkou a jaké následky může mít nedostatečná ochrana při svařování.
2) Proč při svařování pozinkovaného plechu dochází k takovým rozstřikům?
Je to především proto, že vrstva zinku se při svařování chová jinak než ocel pod ní: odpařuje se již při relativně nízkých teplotách, a to ještě před roztavením samotné oceli. Tím vzniká vysoký tlak výparů přímo v tavné lázni. Tento tlak doslova „roztrhne“ tekutý kov – což má za následek více rozstřiků, nerovnoměrný oblouk a nestabilní tvorbu svarů.
Odpařující se zinek navíc narušuje rovnoměrné vytváření tavné lázně, což vede k tvorbě pórů a nerovnoměrným svarům. Čím silnější a nerovnoměrnější je pozinkování, tím výrazněji se tyto jevy projevují.
V praxi pomáhá odstranit vrstvu zinku v oblasti svaru nebo pracovat s upravenými parametry a vhodnými procesy. CMT (Cold Metal Transfer) může díky nízkému vnosu tepla nabízet výhody – zejména u tenkých pozinkovaných plechů.
3) Jaký je rozdíl mezi tvrdým a měkkým pájením pozinkovaných plechů?
Rozdíl mezi tvrdým a měkkým pájením spočívá především v pracovní teplotě: zatímco při měkkém pájení se pracuje při teplotách pod 450° C, tvrdé pájení se provádí při teplotách nad 450° C.
Liší se také vybavení: Pro měkké pájení obvykle postačuje jednoduchý propanový hořák (pájecí lampa), zatímco při tvrdém pájení pozinkovaných plechů se používá výkonnější plynový svařovací hořák.
Měkké pájení je obzvláště vhodné pro pozinkované plechy, protože nižší teplota do značné míry chrání zinkovou vrstvu. Tvrdé pájení se naopak používá v případech, kdy musí spoj vydržet vyšší mechanické nebo tepelné zatížení. Vyšší teplota v tomto případě zajišťuje odpovídající odolnost pájených spojů, například u konstrukčních spojů v automobilovém průmyslu.
