20 ноября 2012 

Сварка алюминия и алюминиевых сплавов

Алюминий является очень легким металлом, имеющим плотность 2,7 г/см3. Теплопроводность алюминия в три раза выше теплопроводности малоуглеродистой стали. Температура плавления чистого алюминия составляет 657 °C. При нагревании алюминий легко окисляется, образуя тугоплавкую окись алюминия, плавящуюся при температуре свыше 2060° С.

Чистый алюминий, а также сплавы алюминия с марганцем и магнием хорошо поддаются сварке. Хуже свариваются термоупрочняемые сплавы. Это обусловлено тем, что в сварном шве такого сплава получается структура литого металла, прочность которого в два раза меньше прочности основного прокатанного металла. Кроме того, вследствие значительной усадки металла шва и его низкой пластичности, в процессе сварки возникают трещины в швах.

Достоинства алюминия и алюминиевых сплавов

Основными достоинствами алюминиевых сплавов являются малая плотность, высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость. Чистый алюминий, ввиду низкой прочности, для изготовления конструкций используют в отдельных случаях в химической, пищевой и электротехнической промышленности. Алюминий высокой чистоты применяют в отраслях новой техники, в том числе при производстве полупроводников. В качестве конструкционных материалов в основном используют полуфабрикаты из алюминиевых сплавов. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана.

Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и др.) из деформируемых сплавов. Концентрация легирующих элементов деформируемых сплавов меньше предела растворимости, и при нагреве эти сплавы могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность.

Технология сварки

Сварка алюминия и его сплавов осложнена тем, что в процессе сварки на поверхности расплавленного слоя моментально образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия. Эта пленка препятствует процессу сплавления отдельных частиц металла. Дело в том, что оксид алюминия плавится при температуре 2050°С, а сам алюминий — 658°С, Чтобы преодолеть эту технологическую трудность, применяют ряд специальных способов.

Первое условие — подготовка к сварке. Соединяемые детали должны быть обязательно обезжирены, при этом уже имеющаяся на поверхности пленка оксида алюминия удаляется. Присадочная проволока обрабатывается таким же способом. Электродные стержни также очищаются перед нанесением на них покрытия. Металл на ширине 80-100 мм от кромки обезжиривают растворителями (авиационным бензином, техническим ацетоном), затем механической зачисткой или химическим травлением удаляют оксидную пленку.

Электроды непосредственно перед сваркой надо просушить в течении двух часов при температуре 200°С.

В связи с тем что алюминиевый электрод плавится в 2—3 раза быстрее стального, скорость сварки алюминия должка быть соответственно выше. Сварку рекомендуется выполнять непрерывно в пределах одного электрода, так как пленка шлака на кратере и конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги. Для обеспечения устойчивого процесса при минимальных потерях на разбрызгивание рекомендуется принимать сварочный ток из расчета не более 60 А на 1 мм диаметра электрода.

Сварка металла толщиной до 2 мм осуществляется без присадки и без разделки кромок, металл толщиной свыше 2 мм сваривают с зазором 0,5-0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок. Оксидную пленку удаляют о помощью флюсов АФ-4А.

Ручную сварку покрытыми электродами применяют в основном при изготовлении малонагруженных конструкций из технического алюминия, сплавов типа AlMn и AlMg, силумина.

Как правило, применяется стыковое соединение. Не рекомендуется использование тавровых и нахлесточных соединений, поскольку шлак может затечь в зазоры, что затрудняет его удаление при промывке. Остатки шла­ка могут привести к коррозии.

Перед сваркой необходимо подогреть детали до температуры 100–400 °С в зависимости от их толщины. Металлический стержень электрода изготавливается из проволок с составом, приближенным к составу основного металла. Для сплавов алюминия с магнием используется проволока с повышенным количеством магния (на 1,5–2%) для компенсации его угара при сварке. Основными компонентами электродного покрытия являются криолит, фтористые и хлористые соли калия и натрия.

Автоматическая сварка алюминия и его сплавов выполняется полуоткрытой дугой по слою флюса или закрытой дугой под флюсом.

Автоматическая сварка листов ведется по слою флюса, поскольку даже нерасплавленный флюс имеет высокую электропроводность, шунтирует электрическую дугу и нарушает стабильность процесса. Ширина и толщина слоя насыпаемого флюса зависят от толщины алюминиевого листа (как правило, ширина составляет 25–45 мм, а толщина 7–16 мм). Во избежание протеков жидкого металла с обратной стороны сварного шва требуется стальная формирующая подкладка. Дуга питается постоянным током обратной полярности.

Автоматическую сварку под флюсом обычно выполняют расщепленным электродом на переменном токе или на постоянном токе обратной полярности. Применяют также флюсы с пониженной электропроводностью.

При газовой сварке алюминия в качестве горючего газа в основном используется ацетилен. Расход ацетилена составляет около 100 л/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

Диаметр присадочного прутка, представляющего собой проволоку из алюминия или его сплавов, обычно составляет 1,5–5,5 мм в зависимости от толщины свариваемого изделия.

Для предотвращения окисления металла и удаления оксидов используют специальные флюсы, например, марки АФ-4А (50% KCl, 28% NaCl, 14% LiCl, 8% NaF). При сварке флюс вводят либо с присадочным прутком, либо предварительно наносят на свариваемые кромки в виде разведенной в воде пасты. Флюс в разведенном состоянии нельзя хранить свыше 8–10 ч.

При толщине заготовок более 4 мм желательно выполнять разделку кромок. При толщине листов свыше 8 мм осуществляют общий либо местный подогрев. Сварка производится «левым» способом. По окончании сварки для удаления флюсов сварные швы промывают теплой водой или 2%-ным раствором хромовой кислоты.

Электрошлаковая сварка алюминия и его сплавов выполняется для толщин изделия от 50 до 250 мм и особо эффективна для больших толщин. Ведется на переменном токе плавящимися мундштуками или пластинчатыми электродами, с использованием флюсов на основе галогенидов щелочноземельных и щелочных металлов. Шов формируется с помощью медных водоохлаждаемых или графитовых кристаллизаторов. Скорость сварки составляет 6–8 м/ч. Получаемые сварные соединения имеют прочность, равную 80–100% прочности основного металла.