Gięcie, spawanie, cynkowanie -
procesy, którym poddaje się blachę stalową
Droga od arkusza blachy do gotowego wyrobu prowadzi zwykle przez cztery grupy operacji: cięcie, formowanie na zimno, łączenie i zabezpieczenie antykorozyjne. Każda z nich stawia materiałowi inne wymagania, a część z nich jest wzajemnie sprzeczna. Stal łatwo formowalna ma niższą wytrzymałość. Stal o niskim równoważniku węgla jest łatwiejsza w spawaniu, ale jej skład bywa ograniczany innymi wymaganiami. Zawartość krzemu korzystna dla własności mechanicznych potrafi podwoić grubość powłoki przy cynkowaniu zanurzeniowym i zmienić jej wygląd.
Dobór materiału pod proces polega więc na rozstrzygnięciu, które z tych wymagań są twarde, a które da się obejść zmianą kolejności operacji.
Gięcie i formowanie na zimno
Przy gięciu zewnętrzna warstwa materiału podlega rozciąganiu, a wewnętrzna ściskaniu. Im mniejszy promień gięcia w stosunku do grubości, tym większe odkształcenie warstwy zewnętrznej i większe ryzyko pęknięcia. Producenci podają minimalne promienie w postaci wielokrotności grubości, na przykład dla blachy z powłoką cynkowo-magnezową zalecenie wynosi co najmniej dwukrotność grubości materiału.
W praktyce warsztatowej znaczenie mają jeszcze trzy zjawiska.
Kierunek gięcia względem kierunku walcowania. Materiał walcowany ma strukturę o wydłużonych ziarnach, co czyni go mniej podatnym na odkształcenie w jednym z kierunków. Ustawienie linii gięcia w poprzek kierunku walcowania zmniejsza ryzyko pęknięcia na zewnętrznym promieniu.
Sprężynowanie. Po zwolnieniu nacisku materiał częściowo wraca do pierwotnego kształtu. Im wyższa granica plastyczności, tym większe sprężynowanie przy tym samym promieniu i tej samej grubości. Przejście na gatunek o wyższej wytrzymałości bez korekty narzędzi kończy się odchyłką kąta gięcia.
Starzenie po odkształceniu. To zjawisko najmniej oczywiste i najczęściej zaskakujące. Atomy węgla i azotu obecne w roztworze stałym żelaza migrują z czasem do dyslokacji i blokują je, co przywraca górną granicę plastyczności. Skutkiem są pasma Lüdersa, czyli widoczne smugi na powierzchni wytłoczki. Azot ma tu większe znaczenie niż węgiel.
Materiał zabezpiecza się przed tym przez wygładzanie lub prostowanie z rozciąganiem. Odkształcenie rzędu minimum 0,5 procent usuwa górną granicę plastyczności, a wydłużenie w przedziale 1,25-2,0 procent daje około sześciu miesięcy odporności na pasma Lüdersa. Czas ten skraca się wyraźnie, gdy materiał obrabiany jest w temperaturze powyżej 38 stopni Celsjusza, przy której twardość może wzrosnąć o około 10 punktów w skali Rockwella B w ciągu dwóch tygodni. Stąd zalecenie, żeby materiał przeznaczony do tłoczenia zużywać w ciągu około sześciu miesięcy od dostawy. Zjawisko eliminują całkowicie stale o ultraniskiej zawartości węgla, a ograniczają dodatki aluminium, tytanu, niobu lub boru wiążące węgiel i azot.
Spawanie i zgrzewanie
Spawalność stali niskowęglowych ocenia się przez równoważnik węgla, opisujący łączny wpływ węgla i pierwiastków stopowych na hartowność. Norma EN 10025-2 określa jego wartości maksymalne dla poszczególnych gatunków, a rzeczywistą wartość dla partii podaje świadectwo odbioru 3.1 według EN 10204.
Sam równoważnik nie wystarcza jednak do zaplanowania technologii. EN 1011-2 uzależnia temperaturę podgrzewania wstępnego od czterech parametrów łącznie: równoważnika węgla, grubości zastępczej złącza, zawartości wodoru dyfundującego w stopiwie oraz energii liniowej spawania. Zmiana materiału dodatkowego na wariant o niskiej zawartości wodoru potrafi obniżyć wymaganą temperaturę podgrzewania lub wyeliminować ją całkowicie przy tym samym materiale podstawowym.
Blachy cienkie stawiają dodatkowe wymagania. Wprowadzenie zbyt dużej ilości ciepła prowadzi do przepaleń i odkształceń, a odkształcenia spawalnicze w elementach o dużej powierzchni bywają trudniejsze do opanowania niż sama jakość spoiny. Stąd przewaga metod o kontrolowanej energii liniowej i zgrzewania oporowego w produkcji seryjnej.
Spawanie elementów ocynkowanych
Osobnym zagadnieniem jest spawanie materiału już powleczonego cynkiem. Każda spoina wykonana na powierzchni ocynkowanej niszczy powłokę w miejscu spoiny i uszkadza ją w strefie przyległej. Zalecenie instytutów branżowych jest jednoznaczne: powłokę należy usunąć na odległość od około 25 do 100 mm po obu stronach planowanej spoiny, najskuteczniej przez szlifowanie, a po spawaniu odtworzyć ochronę powłoką bogatą w cynk.
Odtworzona powłoka nie ma jednak metalurgicznego połączenia z podłożem, jakie daje cynkowanie zanurzeniowe, więc jej trwałość jest niższa. To główny argument za tym, żeby spawanie poprzedzało cynkowanie, a nie odwrotnie.
Dochodzą do tego wymagania bezpieczeństwa. Cynk odparowuje w temperaturze łuku i utlenia się w powietrzu do tlenku cynku, tworząc dym. Ekspozycja na ten dym jest przyczyną gorączki metalicznej, dolegliwości o objawach grypopodobnych, występujących zwykle kilka godzin po ekspozycji i ustępujących w ciągu doby lub dwóch. Limity ekspozycji przyjęte w Stanach Zjednoczonych to 5 mg/m3 jako średnia ważona w czasie ośmiogodzinnym i 10 mg/m3 jako wartość krótkoterminowa. Zalecenia praktyczne obejmują odciąg miejscowy przy łuku, wentylację ogólną, utrzymanie głowy poza strumieniem dymu, a przy niewystarczających środkach technicznych ochronę dróg oddechowych.
Cynkowanie ogniowe zanurzeniowe
Proces polega na zanurzeniu gotowego elementu w kąpieli stopionego cynku o temperaturze rzędu 443 stopni Celsjusza. Kąpiel zawiera powyżej 98 procent czystego cynku, z dodatkami nieprzekraczającymi 2 procent, poprawiającymi płynność i wygląd powłoki.
Wymagania dotyczące grubości powłoki określa EN ISO 1461 w zależności od grubości elementu stalowego.
| Grubość stali | Grubość lokalna min. | Grubość średnia min. |
|---|---|---|
| powyżej 6 mm | 70 µm (505 g/m2) | 85 µm (610 g/m2) |
| powyżej 3 do 6 mm | 55 µm (395 g/m2) | 70 µm (505 g/m2) |
| od 1,5 do poniżej 3 mm | 45 µm (325 g/m2) | 55 µm (395 g/m2) |
| poniżej 1,5 mm | 35 µm (250 g/m2) | 45 µm (325 g/m2) |
Sama kąpiel nie zmienia własności mechanicznych stali: wytrzymałość na rozciąganie, granica plastyczności, właściwości przy gięciu i udarność pozostają bez zmian. Może natomiast powodować odkształcenia elementów asymetrycznych i cienkościennych, co wymaga uwzględnienia już na etapie projektu.
Norma stawia też wymagania konstrukcyjne. Element musi mieć wystarczającą liczbę otworów o odpowiedniej wielkości, umożliwiających bezpieczne odpowietrzenie i odpływ cynku. Niewentylowane przestrzenie zamknięte nie mogą być cynkowane, ponieważ grozi to wybuchem. Wytyczne branżowe zalecają otwory o średnicy co najmniej 12 mm, rozmieszczone po przekątnej, możliwie blisko ścianki elementu, z minimum dwoma otworami na każdym zamkniętym końcu. Szczegóły rozwiązań konstrukcyjnych zawiera EN ISO 14713-2.
Skład stali a wygląd powłoki
Grubość i wygląd powłoki zależą nie tylko od procesu, ale przede wszystkim od składu stali, zwłaszcza od zawartości krzemu i fosforu. To zjawisko, znane jako efekt Sandelina, bywa źródłem nieporozumień między zamawiającym a cynkownią.
| Zawartość krzemu | Efekt |
|---|---|
| poniżej 0,03-0,04 procent, stal uspokojona aluminium | powłoki cieńsze, rzędu 50-65 µm, jasne i błyszczące, z czasem matowiejące |
| około 0,04-0,06 procent, obszar szczytu reaktywności | powłoki grube, matowoszare, o gorszej estetyce |
| około 0,15-0,25 procent, stal uspokojona krzemem | powłoki grube, rzędu 120-300 µm, matowoszare, ale przewidywalne |
Fosfor działa podobnie: zawartość powyżej 0,02 procent może dawać powłokę nadmiernie grubą, kruchą i podatną na odpryskiwanie. Wytyczne branżowe wskazują jako bezpieczne zakresy zawartość krzemu poniżej 0,04 procent albo w przedziale 0,15-0,22 procent, z pominięciem obszaru pośredniego.
Wniosek praktyczny dla zamawiającego jest ważny: jeżeli wyrób ma być cynkowany zanurzeniowo i liczy się jego wygląd, skład chemiczny stali trzeba uzgodnić przed zakupem materiału, a nie przed zanurzeniem w wannie. Matowoszara, gruba powłoka na stali o niefortunnej zawartości krzemu nie jest wadą wykonania, lecz konsekwencją materiału.
Malowanie i systemy duplex
Przygotowanie powierzchni przed malowaniem opisuje ISO 8501-1, definiując stopnie czyszczenia: Sa 1 usuwa zanieczyszczenia słabo przywierające, Sa 2 większość zgorzeliny i rdzy, Sa 2,5 pozostawia jedynie lekkie zabarwienia w postaci plam lub pasm, a Sa 3 daje jednolity metaliczny wygląd. Czyszczenie ręczne i mechaniczne oznaczane jest symbolami St 2 i St 3.
System duplex, czyli powłoka malarska nałożona na cynk, wymaga odrębnego przygotowania powierzchni ocynkowanej. Uznane metody obejmują zastosowanie roztworu fosforanu cynku z dodatkiem soli miedzi, podkłady wytrawiające dla powłok zwietrzałych, omiatanie strumieniowo-ścierne przy ciśnieniu nieprzekraczającym około 2,7 bara oraz naturalne zwietrzenie powłoki przez co najmniej sześć miesięcy z późniejszym czyszczeniem mechanicznym. We wszystkich przypadkach powierzchnię trzeba wcześniej oczyścić z oleju, smaru i zabrudzeń, a farba musi być przeznaczona do stosowania na stali ocynkowanej.
Kolejność operacji
Z wszystkich powyższych zależności wynika jedna reguła porządkująca: cała obróbka mechaniczna i spawalnicza powinna poprzedzać cynkowanie.
Cięcie, gięcie, wiercenie i spawanie elementu ocynkowanego niszczy powłokę dokładnie tam, gdzie jest najbardziej potrzebna, czyli w spoinach i na krawędziach. Odtworzenie jej farbą daje ochronę słabszą niż powłoka metalurgiczna. Cynkowanie wykonane na końcu obejmuje całą powierzchnię gotowego elementu, łącznie z krawędziami, otworami i spoinami.
Wyjątkiem są konstrukcje z blachy powlekanej w sposób ciągły, w których powłoka jest nakładana na taśmę przed formowaniem. Tam kolejność jest odwrotna z definicji, a ochrona krawędzi ciętych opiera się na katodowym działaniu cynku, skutecznym przede wszystkim w materiale cienkim.
Przy planowaniu produkcji warto ustalić tę sekwencję razem z doborem materiału, ponieważ wymagania procesów potrafią wskazywać różne gatunki.
Dostępne gatunki stali, rodzaje powłok oraz formaty kręgów, taśm i arkuszy przedstawia oferta blach stalowych HEN-STOL, z osobnymi opisami dla blachy ocynkowanej, blachy zimnowalcowanej i blachy gorącowalcowanej.
Sprawdź jak możemy pomóc
HEN-STOL pomaga dobrać materiał, uwzględniając jednocześnie wymagania formowania, spawania i zabezpieczenia antykorozyjnego. Wystarczy przesłać specyfikację i opis procesu, a sprawdzimy dostępność i zaproponujemy najkorzystniejszy wariant.
Najczęściej zadawane pytania
Jaki jest minimalny promień gięcia blachy?
Podaje się go jako wielokrotność grubości materiału i zależy od gatunku oraz od kierunku gięcia względem kierunku walcowania. Dla blach z powłoką cynkowo-magnezową producent zaleca promień co najmniej dwukrotnie większy od grubości. Dane dla konkretnego gatunku znajdują się w karcie materiałowej.
Dlaczego na wytłoczce pojawiają się smugi?
To pasma Lüdersa, efekt starzenia po odkształceniu. Węgiel i azot migrują z czasem do dyslokacji i blokują je, przywracając górną granicę plastyczności. Zapobiega temu wygładzanie lub prostowanie z rozciąganiem oraz zużycie materiału w rozsądnym czasie od dostawy.
Czy można spawać element już ocynkowany?
Technicznie tak, ale powłokę należy usunąć na odległość od 25 do 100 mm po obu stronach spoiny i odtworzyć ją po spawaniu powłoką bogatą w cynk. Odtworzona ochrona jest mniej trwała od powłoki metalurgicznej, dlatego preferuje się cynkowanie po zakończeniu spawania.
Jaka jest wymagana grubość powłoki cynkowej?
Według EN ISO 1461 zależy od grubości elementu: dla stali powyżej 6 mm grubość średnia wynosi co najmniej 85 µm, dla 3-6 mm 70 µm, dla 1,5-3 mm 55 µm, a poniżej 1,5 mm 45 µm.
Dlaczego powłoka po cynkowaniu bywa szara i matowa?
Najczęściej z powodu zawartości krzemu w stali. W obszarze szczytu reaktywności powłoka rośnie nadmiernie i traci połysk. Jest to konsekwencja składu chemicznego materiału, a nie wada wykonania powłoki.
W jakiej kolejności prowadzić obróbkę i cynkowanie?
Najpierw cięcie, gięcie, wiercenie i spawanie, na końcu cynkowanie. Wymaga to zaprojektowania otworów odpowietrzających i odpływowych w geometrii finalnej elementu.
Źródła
- EN ISO 1461, Powłoki cynkowe nanoszone na wyroby stalowe i żeliwne metodą zanurzeniową
- EN 1011-2, Spawanie - wytyczne dotyczące spawania metali, spawanie łukowe stali ferrytycznych
- ISO 8501-1, Przygotowanie podłoży stalowych przed nakładaniem farb
- GalvInfo Center, GalvInfoNote 2.8.1, Strain Ageing in Galvanized Low Carbon Steel Sheet
- American Galvanizers Association, Silicon Content of Steel oraz Can You Weld Galvanized Steel
- Galvanizers Association, wytyczne dotyczące otworów technologicznych i malowania stali ocynkowanej
- American Welding Society, Safety and Health Fact Sheet No. 25, Metal Fume Fever