Około 70% blach w produkcji samochodów i części samochodowych jest obecnie ocynkowanych galwanicznie. Cienka warstwa cynku niezawodnie chroni przed korozją oraz zwiększa żywotność i ekonomiczność komponentów. Chociaż spawanie blachy ocynkowanej jest możliwe, skutkuje ono utratą jakości. Decydujące znaczenie ma zatem nie to, czy spawanie jest możliwe, ale to, czy ma ono sens w świetle pojawiających się wad — i dlaczego lutospawanie jest lepszą alternatywą, jeśli chodzi o łączenie blach ocynkowanych.
Czy spawanie blachy ocynkowanej jest możliwe? Najważniejsze ograniczenia
„Oczywiście, blachy ocynkowane można spawać konwencjonalnie — technicznie to żaden problem” — wyjaśnia Bernd Rutzinger, koordynator Bodywork we Fronius International. Jednocześnie jednak zwraca uwagę na związane z tym problemy jakościowe. Spawanie blachy ocynkowanej wiąże się między innymi ze:
- zwiększonym tworzeniem odprysków,
- niejednakowym wyglądem spoin,
- porowatością.
Porowatość spoiny pachwinowej w procesie spawania MAG
Dodatkowo podczas spawania blachy ocynkowanej dochodzi do uszkodzenia powłoki cynkowej, co powoduje utratę zabezpieczenia antykorozyjnego. Ze względu na wysokie temperatury i niewielką grubość blachy często wpływa to nawet na spód spawanego elementu. Sama spoina jest również podatna na korozję, ponieważ w procesie spawania MIG/MAG zostaje pozbawiona powłoki cynkowej. Innym problemem w przypadku cienkich blach są odkształcenia spowodowane dużą ilością wprowadzonego ciepła.
Problemy jakościowe przy spawaniu blachy ocynkowanej wynikają z odmiennych właściwości materiałowych stali i cynku. Stal topi się w temperaturze ponad 1500°C, natomiast cynk przy około 420°C i odparowuje przy 900°C.
To właśnie odparowany cynk stanowi największy problem przy łączeniu blach ocynkowanych: cynk odparowuje już w czasie, gdy łuk spawalniczy dostarcza energię potrzebną do stopienia materiału bazowego. Cynk w stanie gazowym jest uwięziony w stopie i powoduje powstawanie porów. Ponadto cynk w stanie gazowym wpływa na sam proces: „Powstały gaz wytwarza ciśnienie, które przeciwdziała ciśnieniu łuku spawalniczego. Powstałe w ten sposób siły destabilizują łuk spawalniczy” — mówi Rutzinger.
Bernd Rutzinger, koordynator Bodywork we Fronius International
Jak uniknąć „gorączki cynkowej”: bezpieczeństwo pracy podczas spawania blach ocynkowanych
Bernd Rutzinger, który od ponad 30 lat zajmuje się procesami spawania i łączenia, podkreśla znaczenie bezpieczeństwa pracy: „Niezwykle ważną kwestią jest toksyczność pary cynkowej. Wdychanie w dużych ilościach może prowadzić do tzw. gorączki cynkowej. Dlatego ważne jest, aby zwracać uwagę na dobry system odciągania dymów spawalniczych”. Gorączka cynkowa ma objawy podobne do grypy i towarzyszą jej wysoka temperatura, zmęczenie oraz bóle mięśni i stawów.
Na czym polega lutospawanie MIG? Proste objaśnienie procesu
Alternatywą dla spawania blachy ocynkowanej jest tzw. lutospawanie MIG. Jest to proces bazujący na łuku spawalniczym, ale różni się jednym zasadniczym szczegółem: podczas spawania materiał bazowy jest stapiany, natomiast przy lutowaniu pozostaje twardy. Zamiast tego topi się spoiwo na bazie miedzi, tworząc połączenie między elementami.
„W przypadku lutospawania MIG mówimy o procesie wysokotemperaturowym, który odbywa się w temperaturze ponad 900°C” — wyjaśnia Rutzinger. „Istotne jest, aby lut miał niższą temperaturę topnienia niż materiał bazowy. Podczas gdy stal topi się w temperaturze około 1500°C, temperatura topnienia lutu wynosi około 1000°C. Prowadzi to do znacznego zmniejszenia ciepła wprowadzanego do spoiny” — dodaje ekspert.
W trakcie lutowania MIG także dochodzi do powstawania pary cynkowej. Choć emisja jest znacznie niższa niż przy spawaniu, wystarczające odsysanie i odpowiednie środki ochronne i właściwe odciągi są nadal niezbędne dla zachowania bezpieczeństwa.
Podczas spawania sam materiał bazowy jest podgrzewany do temperatury topnienia i tworzy jeziorko spawalnicze. Natomiast podczas lutospawania materiał bazowy pozostaje stały — tylko lut o niższej temperaturze topnienia jest płynny i łączy elementy poprzez zwilżanie.
Dlaczego lutowanie blachy ocynkowanej ma większy sens?
Właśnie to mniejsze ciepło wprowadzane do spoiny jest wielką zaletą przy łączeniu blach ocynkowanych. „Chodzi o to, aby wprowadzane do spoiny ciepło było jak najmniejsze”, opisuje to Rutzinger.
Ciepło wprowadzane do spoiny da się opisać za pomocą funkcji energii liniowej: wynika ona z prądu, napięcia i prędkości spawania. Przy lutowaniu MIG wystarcza niższa energia, ponieważ topi się tylko spoiwo, a nie materiał bazowy.
Jednocześnie umożliwia to uzyskanie wysokich prędkości procesu: „Dzięki procesowi CMT Braze + firmy Fronius osiągamy prędkość trzech metrów na minutę. To stawia nas na poziomie spawania laserowego” — mówi Rutzinger.
Ma to bezpośredni wpływ na proces: powstaje mniej pary cynkowej, łuk pozostaje stabilny, a tworzenie porów jest ograniczone. Jednocześnie maleje zniekształcenie elementu — to decydująca zaleta, zwłaszcza w przypadku cienkich blach.
Efekt kapilarny w lutospawaniu: jak lut wypełnia szczelinę
Kolejną zaletą lutospawania jest tzw. efekt kapilarny. „Lut jest wciągany prosto w szczelinę” — opisuje ten efekt Rutzinger. Ma to szczególne znaczenie w branży motoryzacyjnej, gdzie szczeliny zdarzają się tam dość często. „Milimetrowa przerwa nie jest niczym niezwykłym w inżynierii samochodowej”.
Chociaż takie szczeliny mogą szybko prowadzić do problemów podczas spawania blachy ocynkowanej, są znacznie łatwiejsze do zniwelowania podczas lutowania. Podczas spawania powietrze w szczelinie ma działanie izolacyjne, które koncentruje energię w górnej blasze i może prowadzić do przepalenia.
Z drugiej strony, podczas lutowania szczelina jest wykorzystywana w sposób celowy: lut spływa do szczeliny i rozprowadza się równomiernie. Jednoczesne odprowadzanie oparów cynku ogranicza powstawanie porów i stabilizuje proces.
Katodowe działanie ochronne: zachowane zabezpieczenie antykorozyjne
Zabezpieczenie antykorozyjne blach ocynkowanych opiera się nie tylko na samej ochronnej warstwie cynku, ale przede wszystkim na tzw. katodowym działaniu ochronnym.
Cynk działa jako metal rodzimy (anoda) i oddaje elektrony do stali. Stal jest zatem katodowo i aktywnie chroniona przed korozją. Nawet jeśli warstwa cynku zostanie miejscowo przerwana, ten efekt ochronny zostaje zachowany i działa do dwóch milimetrów na obszary niepowlekane.
„Podczas lutowania blachy ocynkowanej spalamy trochę cynku na powierzchni obok spoiny, ale obszar ten jest tak mały, że katodowe działanie ochronne całkowicie go pokrywa. Cynk nadal chroni stal — co niweluje występowanie korozji” — wyjaśnia Rutzinger.
Dodatkowa zaleta jest widoczna na spodzie elementu:
„Tutaj cynk nie odparowuje ani nie spala się — zabezpieczenie antykorozyjne jest całkowicie zachowane. Natomiast podczas spawania warstwa cynku od strony grani jest całkowicie utracona” — mówi ekspert.
Gdzie stosuje się lutowanie MIG?
Lutowanie MIG jest stosowane głównie w produkcji przemysłowej, zwłaszcza w przemyśle samochodowym. Używane są tam głównie cienkie blachy ocynkowane galwanicznie, gdzie kluczowe znaczenie ma zarówno ochrona antykorozyjna, jak i jakość spoin.
„Cienkie blachy są stosowane głównie w przemyśle samochodowym — zwykle są to blachy o grubości od około jednego milimetra, a nawet mniej” — opisuje specyficzne wymagania Bernd Rutzinger. Typowym obszarem zastosowania jest konstrukcja nadwozia, na przykład dachu lub części bocznych.
Oprócz optyki kluczową rolę odgrywa również wytrzymałość mechaniczna. Pomimo mniejszej ilości ciepła wprowadzanego do spoiny połączenia spełniają wymagania wytrzymałościowe. „W testach wytrzymałości na rozrywanie zawsze zrywa się materiał bazowy — nigdy spoina” — wyjaśnia Rutzinger. Lutowanie blachy ocynkowanej metodą MIG spełnia zatem najważniejszy wymóg w konstrukcji nadwozia: połączenie nie jest słabym punktem, ale jest co najmniej tak samo wytrzymałe, jak otaczające powierzchnie elementu.
Dlaczego lutowanie blachy metodą MIG jest używane do dziś?
Samo lutowanie blachy metodą MIG nie jest nowym procesem. Już w latach 60. podjęto pierwsze próby łączenia blach ocynkowanych ze spoiwami na bazie miedzi. W praktyce jednak wdrożenie nie powiodło się przez długi czas ze względu na możliwości technologiczne ówczesnych urządzeń.
Dopiero technologia inwerterowa z lat 80. i 90. umożliwiła stabilną kontrolę w zakresie niskich prądów — dokładnie tam, gdzie działa lutowanie MIG. „Mówimy o natężeniu 40–50 amperów. W tym czasie urządzenia spawalnicze po prostu nie mogły tego regulować w stabilny sposób. Było wiele odprysków i łuk spawalniczy był niestabilny — trudno to było kontrolować pod względem technologii procesu. Rozwój urządzeń inwertorowych był dużym skokiem technologicznym” — opisuje ówczesne wyzwania Bernd Rutzinger.
Dopiero ten postęp technologiczny sprawił, że lutowanie MIG stało się procesem powtarzalnym i nadającym się do stosowania przemysłowego.
Odpowiednie urządzenie do lutowania blachy ocynkowanej metodą MIG
Ze wszystkich tych punktów jasno wynika, że łączenie blach ocynkowanych nie polega na samej wykonalności, ale na niezawodności procesu, jakości i zachowaniu ochrony antykorozyjnej. Lutowanie blachy ocynkowanej metodą MIG łączy w sobie decydujące zalety:
- niskie ciepło wprowadzane do spoiny,
- mniej pary cynkowej,
- stabilność procesów zachodzących w łuku spawalniczym,
- wysokiej jakości spoiny.
Aby te zalety lutowania blachy ocynkowanej mogły być niezawodnie wykorzystane w praktyce, potrzebne są nowoczesne inwertorowe urządzenia spawalnicze z precyzyjną kontrolą w zakresie niskich prądów, ponieważ są one podstawą stabilnych procesów lutowania MIG. W produkcji przemysłowej stosowane są głównie systemy serii Fronius TPS/i, opcjonalnie rozszerzone o procesy CMT lub CMT Braze+.
Chcesz zagłębić się w proces CMT? Zajrzyj na naszą stronę internetową — znajdziesz tam wyczerpujące informacje na temat technologii i jej możliwych zastosowań.
Najczęściej zadawane pytania
1) Czym jest gorączka cynkowa i jakie są zagrożenia dla zdrowia związane ze spawaniem stali ocynkowanej?
Gorączka cynkowa (Metal Fume Fever) jest spowodowana wdychaniem dymu z tlenkiem cynku, który uwalnia się podczas spawania materiałów ocynkowanych. Dym ten jest szkodliwy dla zdrowia i może wywoływać objawy grypopodobne, takie jak bóle głowy, gorączka, dreszcze, a także zmęczenie i bóle stawów.
Jeśli wystąpią takie dolegliwości, należy je potraktować poważnie. Chociaż najlepiej byłoby w ogóle nie dopuszczać do takiej sytuacji Skuteczne odsysanie i przyłbice spawalnicze z dopływem świeżego powietrza znacznie zmniejszają narażenie na dym i cząstki stałe.
Jakie były doświadczenia osób dotkniętych gorączką cynkową i jakie konsekwencje mogą mieć niewystarczające środki ochronne podczas spawania, dowiesz się w tym artykule.
2) Dlaczego spawanie blach ocynkowanych wiąże się z dużą ilością odprysków?
Spawanie blachy ocynkowanej generuje liczne odpryski, ponieważ warstwa cynku zachowuje się inaczej podczas spawania niż stal znajdująca się poniżej: odparowuje w stosunkowo niskich temperaturach, nawet zanim sama stal się stopi. Powoduje to wysokie ciśnienie pary bezpośrednio w jeziorku spawalniczym. Ciśnienie to dosłownie rozrywa ciekły metal — powodując więcej odprysków, niestabilny łuk i niepowtarzalne spoiny.
Ponadto odparowujący cynk zakłóca równomierne wykształcenie jeziorka spawalniczego, co sprzyja powstawaniu porów i niepowtarzalnych spoin. Im grubsze i bardziej nierównomierne ocynkowanie, tym więcej tych efektów występuje.
W praktyce pomaga usunięcie warstwy cynku w obszarze spoiny lub praca z dostosowanymi parametrami i odpowiednimi procesami. Proces CMT (Cold Metal Transfer) może przynosić korzyści ze względu na niskie ciepło wprowadzane do spoiny — szczególnie w przypadku cienkich, ocynkowanych blach.
3) Jaka jest różnica między twardym a miękkim lutowaniem blach ocynkowanych?
Różnica między twardym a miękkim lutowaniem blach ocynkowanych polega głównie na temperaturze roboczej: lutowanie miękkie odbywa się w temperaturach poniżej 450°C, a lutowanie twarde wykonuje się w temperaturach powyżej 450°C.
Różni się również wyposażenie: do miękkiego lutowania blachy ocynkowanej wystarcza zwykle prosty palnik propanowy (lampa lutownicza), natomiast do lutowania twardego potrzebny jest palnik gazowy o większej mocy.
Miękkie lutowanie jest szczególnie przydatne w przypadku blach ocynkowanych, ponieważ niższa temperatura w znacznym stopniu chroni warstwę cynku. Z drugiej strony lutowanie twarde jest stosowane, gdy połączenie musi wytrzymać większe obciążenia mechaniczne lub termiczne. W tym przypadku wyższa temperatura zapewnia odpowiednio większą sprężystość połączeń lutowanych, chociażby w przypadku połączeń konstrukcyjnych w przemyśle samochodowym.
