Зварювання алюмінію

У зварних конструкціях застосовують як чистий алюміній, так і його сплави:

• деформуються, використовувані у вигляді поковок, прокату і т. д підрозділяються на нетермоупрочняемие і термоупрочняемие.
• ливарні (АЛ), використовувані для отлівок- зварювання таких сплавів застосовується при виправленні дефектів лиття.

Нетермоупрочняемие сплави алюмінію є зварюються і набули найбільшого поширення для зварювання. До нетермоупрочняемим деформується сплавів належать такі марки:

• АТ і АД1 - технічний алюміній;
• АМц - алюмінієво-марганцеві сплави (на основі системи Al-Mn);
• АМг- алюмінієво-магнієві сплави (на основі системи Al-Mg).

більшість термоупрочняемих сплавів, що деформуються алюмінію відноситься до важкозварювальних сплавів, тому їх застосування для зварних конструкцій доцільно лише у випадках, коли можлива термічна обробка вироби. Основні марки термоупрочняемих сплавів, що деформуються:

• Д1, Д16, Д18, Д19, М40, ВАД1, ВД17 - алюмінієво-мідно-магнієві (Дюран), на основі системи Al-Cu-Mg;
• В92, В92Ц, АЦМ - алюмінієво-магнієво-цинкові;
• АК6, АК6-1, АК8, АД31, АД33, АД35, АВ - на основі систем Al-Mg-Si і Al-Mg-Si-Cu;
• АК2, АК4, АК4-1 - на основі системи Al-Mg-Cu-Fe-Ni;
• Д20 і Д21- алюмінієво-мідно-марганцеві;
• ВАД23 - на основі системи Al-Mn-Cu-Li-Cd;
• В93, У94, У95, В96 - на основі системи Al-Mg-Cu-Zn.

Основні труднощі зварювання алюмінію і його сплавів і способи вирішення

1. Освіта тугоплавкого оксиду алюмінію Al2O3 (Температура плавлення 2050 ° С) з більшою щільністю, ніж в алюмінію, що ускладнює сплавлення крайок з`єднання і сприяє забрудненню металу шва частинками цієї плівки. Перед зварюванням для видалення плівки потрібно очищати поверхні крайок і прилеглого основного металу і особливо ретельно поверхню присадочного металу (у зв`язку з великою поверхнею і порівняно малим об`ємом) механічним шляхом або травленням.

Оксидну плівку, що утворюється при зварюванні алюмінію, видаляють або за допомогою катодного розпилення, або із застосуванням флюсів, які забезпечують її розчинення або руйнування з переведенням в летюча з`єднання.

Катодного розпилення можливо при зварюванні на зворотній полярності. При аргонной зварюванні плавиться, зворотна полярність не застосовується через нераціонального розподілу тепла між електродом і виробом (70 на електроді і 30 на зварюваної виробі). З цієї причини зварювання здійснюється на змінному струмі, при якому руйнування плівки відбувається в напівперіоди зворотної полярності.

2. При високих температурах різко знижується міцність, і твердий метал нерасплавівшіеся частини кромок може зруйнуватися під дією маси зварювальної ванни. Алюміній має високу жидкотекучестью і може витікати через корінь шва. Він практично не змінює свого кольору при нагріванні, тому під час зварювання складно контролювати розміри зварювальної ванни. Щоб уникнути прожогов або провалів при одношарової зварюванні металу або зварюванні перших шарів багатопрохідних швів на високій погонной енергії використовують формують підкладки з кераміки, стали або графіту.

3. У зв`язку з високою величиною коефіцієнта лінійного розширення і низьким модулем пружності алюмінієві сплави володіють підвищеною схильністю до викривлення (Деформації). Для зниження деформацій можуть застосовуватися спеціальні технологічні заходи (оптимальні режими зварювання, підігрів і ін.)

4. Сварка ускладнюється не тільки появою оксидної плівки, а й обумовленої воднем пористістю, зменшує пластичність і міцність металу. Пори виникають в основному в металі шва, а також у лінії сплавлення. Особливо схильними до утворення пір вважаються сплави типу Амг.

У зв`язку з цим необхідно виконувати дуже ретельну хімічну очистку зварювальної дроту і механічну очистку і знежирення зварювальних кромок. При зварюванні металу великої товщини до зниження пористості призводить попередній і супутній підігрів до температури 150-250 ° С.

5. Зважаючи на високу теплопровідності алюмінію для його зварювання потрібні потужні джерела тепла. У деяких випадках рекомендується попередній підігрів початкових ділянок зварного шва до температури 120-150 ° С або супутній підігрів.

6. При зварюванні в металі шва можуть утворюватися гарячі тріщини, що викликано процесами внутрішньої деформації та напруги при кристалізації металу зварювальної ванни. Для зменшення ймовірності їх появи в зварні шви можуть додаватися спеціальні модифікатори, поліпшуючі кристалічну структуру шва, а також слід не допускати близького розташування швів.

Сварка в середовищі інертних газів

Зварювання алюмінію в середовищі інертних газів здійснюється не плавиться (вольфрамовим) або плавиться електродами. Як інертних газів застосовують аргон вищого або першого сорту, гелій підвищеної чистоти або суміші аргону з гелієм.

вольфрамові електроди можуть бути ітрировані або лантанований. Застосування вольфрамового електрода діаметром від 2 до 6 мм доцільно для зварювання металу товщиною до 12 мм. Присадні дріт діаметром від 2 до 5 мм вибирають в залежності від марки алюмінієвого сплаву. Наприклад, для технічного алюмінію може застосовуватися дріт марки АТ, АК або АД, для сплавів типу Амг - дроту аналогічних марок, але з підвищеною кількістю магнію (на 1-1,5) для компенсації його чаду.

Ручна аргон зварювання вольфрамовим електродом може виконуватися на установках змінного струму типу УДГ (УДГ-300, УДГ-500) з витратою аргону від 6 до 15 л / хв. Сварка металу може проводитися і в гелії, з витратою гелію в 1,8-2,2 рази більше, ніж аргону. При зварюванні в аргоні напруга дуги складає 15-20 В, при зварюванні в гелії 25-30 В.

Таблиця. Рекомендовані режими зварювання металу вольфрамовим електродом

Сварка алюмінієвих листів товщиною до 3 мм може виконуватися за один прохід на підкладці. Метал товщиною 4-6 мм можна зварювати без скосу кромок за два проходи з двох сторін. Для зварювання металу товщиною понад 6 мм потрібно V-подібна оброблення і збільшення числа проходів до чотирьох (для товщини від 8 до 15 мм). Можлива також Х-подібна оброблення. Протяжні шви виконуються автоматичним зварюванням.

Для підвищення продуктивності зварювання вольфрамовим електродом (в 3-5 разів) може використовуватися трифазна дуга. Більш потужне джерело нагріву дозволяє за один прохід на підкладці зварювати алюміній товщиною до 30 мм.

Малюнок. Зварювання алюмінію трифазної дугою і вид шва

Метал нагрівається безперервно, оскільки постійно існує одна з трьох сукупних дуг - однієї незалежної дуги, що горить між вольфрамовим електродами, і двох залежних дуг, що горять між виробом і електродами.

Сварка плавиться виконується як в чистому аргоні, так і в суміші аргону з гелієм (до 70 гелію) дротом діаметром 1,5-2,5 мм на постійному струмі зворотної полярності. Оброблення кромок може бути V-подібною чи X-подібної з кутом розкриття 70-90 ° (для розміщення в обробленні наконечника пальника), або рюмкообразной- притуплення - 6 мм.

Малюнок. Порядок заповнення оброблення при зварюванні товстолистового металу, що плавиться (дротом) в середовищі інертних газів

Швидкість зварювання залежить від перетину шва і може досягати 40 м / ч. Дріт подається зі швидкістю до 400 м / год. Із застосуванням суміші з 30 аргону і 70 гелію зростають глибина і ширина проварена, що дозволяє за один прохід на підкладці виконувати зварювання металу товщиною до 16 мм, а за два проходи - до 30 мм. Зварений шов в цьому випадку набуває більш сприятливу форму (див. Малюнок нижче).

Малюнок. Форми швів при зварюванні товстолистового металу, що плавиться (дротом) в середовищі інертних газів

Автоматичне дугове зварювання

Автоматичне зварювання алюмінію і його сплавів виконується напіввідкритій дугою по шару флюсу або закритою дугою під флюсом.

Автоматичне зварювання плавиться по шару флюсу може бути проведена із застосуванням фторидно-хлоридних флюсів марок АН-А1 і АН-А4. Флюс марки АН-А1 використовується для з`єднання технического алюминия, флюс марки АН-А4, який не містить NaCl, - для алюмінієво-магнієвих сплавів. Для сплавів цього типу наявність NaCl у флюсі неприпустимо, так як за рахунок алюмінію і магнію з флюсу відновлюється натрій, який потрапляє в шов і призводить до виникнення в металі пористості і зниження пластичності.

Автоматичне зварювання листів ведеться по шару флюсу, оскільки навіть нерозплавлений флюс має високу електропровідність, шунтирует електричну дугу і порушує стабільність процесу. Ширина і товщина шару насипають флюсу залежать від товщини алюмінієвого листа (як правило, ширина становить 25-45 мм, а товщина 7-16 мм). Щоб уникнути протікаючи рідкого металу із зворотного боку зварного шва потрібно сталева формує підкладка. Дуга живиться постійним струмом зворотної полярності.

Автоматичне зварювання під флюсом зазвичай виконують розщепленим електродом на змінному струмі або на постійному струмі зворотної полярності. Застосовують флюси зі зниженою електропровідністю, наприклад, керамічні флюси марок ЖА-64 і ЖА-64А.

Газове зварювання

При газовому зварюванні алюмінію в якості пального газу в основному використовується ацетилен. Витрата ацетилену становить близько 100 л / год на 1 мм товщини зварюваного металу.

Діаметр присадочного прутка, що представляє собою дріт з алюмінію або його сплавів, зазвичай становить 1,5-5,5 мм в залежності від товщини виробу, що зварюється.

Для запобігання окислення металу і видалення оксидів використовують спеціальні флюси, наприклад, марки АФ-4А (50 KCl, 28 NaCl, 14 LiCl, 8 NaF). При зварюванні флюс вводять або з присадним прутком, або попередньо наносять на зварюються кромки у вигляді розведеною у воді пасти. Флюс в розведеному стані не можна зберігати понад 8-10 год.

При товщині заготовок більше 4 мм бажано виконувати оброблення крайок. При товщині аркушів понад 8 мм здійснюють загальний або місцевий підігрів. Зварювання проводиться «лівим» способом. Після закінчення зварювання для видалення флюсів зварні шви промивають теплою водою або 2-им розчином хромової кислоти.

Ручна дугова зварка

Ручна дугова зварка покритими електродами використовується для заготовок з технічно чистого алюмінію, сплавів алюмінію з кремнієм, сплавів Амг (з вмістом магнію до 5) і АМц при товщині вироби понад 4 мм. Вона виконується на постійному струмі зворотної полярності зазвичай на високих швидкостях без поперечних коливань. При товщині металу 10 мм і вище бажано здійснювати оброблення крайок, що зварюються.

Як правило, застосовується стикове з`єднання. Не рекомендується використання таврових і з`єднань внапуск, оскільки шлак може затекти в зазори, що ускладнює його видалення при промиванні. Залишки шлаshy-ка можуть призвести до корозії.

Перед зварюванням необхідно підігріти деталі до температури 100-400 ° С в залежності від їх товщини. Металевий стрижень електрода виготовляється з дротів зі складом, наближеним до складу основного металу (наприклад, електроди марки ОЗА-1). Для сплавів Амг використовується дріт з підвищеною кількістю магнію (на 1,5-2) для компенсації його чаду при зварюванні. Основними компонентами електродного покриття є кріоліт, фтористі і хлористі солі калію і натрію.

Ручне зварювання вугільним електродом застосовується тільки для невідповідальних конструкцій. Виконується на постійному струмі прямої полярності. Як електроди використовуються вугільні або графітові стрижні. При товщині зварюваного вироби більше 2,5 мм проводиться обробка кромок. Діаметр присадочного прутка становить 2-8 мм. Шар флюсу наноситься або на пруток, або на зварюються кромки у вигляді пасти.

електрошлакове зварювання

Електрошлакове зварювання алюмінію і його сплавів виконується для товщини вироби від 50 до 250 мм і особливо ефективна для великої товщини. Ведеться на змінному струмі плавкими мундштуками або пластинчастими електродами, з використанням флюсів на основі галогенідів лужноземельних і лужних металів (наприклад, АН-301 та АН-302). Шов формується за допомогою мідних водоохолоджуваних або графітових кристаллизаторов. Швидкість зварювання становить 6-8 м / ч. Отримувані зварні з`єднання мають міцність, рівну 80-100 міцності основного металу.

плазмова зварювання

Плазмова зварювання завдяки високій концентрації енергії в точці нагріву і глибокому проплавлению вважається перспективним способом з`єднання алюмінію і його сплавів.

Основні переваги плазмового зварювання алюмінію:

• висока швидкість;
• стабільність і простота контролю процесу в порівнянні з ручного дугового зварювання;
• набагато менша зона термічного впливу.

В результаті глибокого проплавлення різко зростає частка основного металу, що у формуванні зварного шва, але при цьому потрібно дотримуватися точність при складанні деталей під зварювання і веденні пальника по стику. Для сплавів з алюмінію необхідно харчування плазмової дуги змінним струмом.

Електронно-променеве зварювання

Електронно-променеве зварювання - один з ефективних способів з`єднання виробів з алюмінію і його сплавів.

Основні переваги електронно-променевого зварювання металу:

• отримання щільних якісних швів;
• мінімальні тепловкладення;
• мінімальне разупрочнение алюмінію в зоні термічного впливу;
• висока швидкість зварювання;
• мінімальні деформації конструкцій.

Оксидна плівка алюмінію руйнується в результаті впливу на неї парів металу, а також з-за її розкладання в вакуумі. Вакуум також сприяє видаленню водню з зварного шва.