Главная → Статьи

Сварка алюминия и его сплавов

При сварке алюминия и его сплавов возникает ряд сложностей. Во-первых, в процессе сварки на поверхности расплавленного металла появляется пленка оксида алюминия, мешающая сплавлению частей изделия. Поэтому сначала необходимо тщательно очистить края деталей и электрод. Обезжиривание и травление, производимые для удаления оксидной пленки, нужно делать за 2-4 часа до начала самого процесса. Скорость сварки алюминия достаточно высока, рекомендуется выполнять ее одним электродом. Предварительный подогрев и применение постоянного тока обратной полярности позволяют осуществлять нужное проплав-ление изделия.

Алюминий и его сплавы делятся на две основные группы: деформируемые и недеформируемые материалы.

Деформируемые материалы применяются в катаном, прессованном и кованом состояниях. Они бывают термически неупрочняемые (алюминий нормальной и высокой чистоты, сплавы алюминия с марганцем, магнием) и термически упрочняемые (сплавы алюминия с медью и цинком).

Недеформируемые (литейные) материалы используются в виде литья. К этой группе относятся сплавы типа силумин со значительным содержанием кремния и меди.

Сварные конструкции в основном изготавливаются из деформируемых термически неупрочняемых сплавов алюминия в ненагартованном виде. Для термически упрочняемых сплавов сварка плавлением не находит широкого применения вследствие снижения прочности металла околошовной зоны.

Основным затруднением при сварке алюминия является наличие на свариваемых кромках плотной и тугоплавкой окисной пленки, которая препятствует сплавлению металлов основного и сварочной ванны. Попадая в шов, пленка, кроме того, образует неметаллические включения. Пленка удаляется с помощью компонентов электродного покрытия и постоянного тока обратной полярности или переменного тока. При бомбардировке положительными ионами поверхности сварочной ванны окисная пленка разрушается и с помощью катодного распыления устраняется с места сварки.

Большая трудность при сварке алюминия и его сплавов заключается в том, чтобы препятствовать образованию пор в металле шва, основной причиной, их вызывающей, считается водород. В процессе изготовления алюминиевых листов на них остается техническая смазка, удаляют которую промывкой листов горячей водой или органическими растворителями. При ручной дуговой сварке толстолистового алюминия можно применять предварительный и сопутствующий подогрев до 200— 400°С. Алюминиево-магниевые сплавы следует подогревать только до 100—150°С, так как излишний подогрев усиливает пористость. Подогрев облегчает устранение газовых пузырьков из сварочной ванны. Дополнительные затруднения яри сварке алюминия и его сплавов возникают из-за появления кристаллизационных трещин, у алюминиево-марганцевого сплава АМц образование трещин зависит от содержания железа и кремния в металле шва: увеличение количества кремния до 0,6% приводит к снижению стойкости, а с повышением содержания железа до 0,7% растет стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Подогрев деформируемых алюминиевых сплавов до 200—250°С не предотвращает появление трещин, поскольку при этом значительно увеличиваются размеры кристаллитов. Алюминий имеет большой коэффициент линейного расширения, поэтому при его сварке необходимо применять специальные меры борьбы с деформациями (сосредото-ченые источники нагрева, сварка в кондукторах, приспособлениях) .

Металл шва при сварке алюминия по своим прочностным характеристикам близок к нагартованнаму основному металлу, при сварке сплава АМц — приближается к основному металлу. Труднее получить равнопрочное соединение при сварке алюминиевонмагниевых сплавов. Поэтому для повышения прочности используют проволоки с повышенным содержанием магния по сравнению с основным металлом. По коррозионным свойствам сварные соединения из алюминия и его сплавов незначительно уступают основному металлу.

Ручная электродуговая сварка в инертных газах. Для ручной сварки вольфрамовым электродом в подавляющем большинстве случаев применяется аргон. Только иногда пользуются смесью аргона с гелием или одним гелием повышенной чистоты. Стыковые швы изделий толщиной до 4 мм свариваются без разделки кромок с присадочной проволокой. Диаметр присадочной проволоки к сварочный ток выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла.

Ручная сварка вольфрамовым электродом обеспечивает минимальное коробление свариваемого изделия при высоком качестве сварного соединения, поэтому ее с успехом используют для тонколистовых изделий.

Дуговая сварка покрытыми электродами. Ручная .дуговая сварка покрытыми электродами выполняется на постоянном токе обратной полярности и применяется для изделий толщиной более 4 мм. Изделия толщиной 3—5 мм сваривают без скоса кромок, свыше 5 мм с односторонним скосом кромок с разделкой 60°. Величина зазора также зависит от толщины свариваемых изделий: для толщин до 12 мм ‘зазор — 1 мм, для толщин 13 — 20 мм и более 20 мм зазор соответственно — 2 и 2,5 мм. Металла толщиной свыше 10 мм предварительно подогревается до 100—400°С. Чем больше толщина изделия, тем выше температура подогрева. Сварку ведут по возможности наиболее короткой дугой без поперечных колебаний конца электрода. При толщине листов до 16 мм шов с обратной стороны заваривается без вырубки корня шва. Угловые швы выполняют с катетами шва не менее 6×6 мм, так как катет меньшего размера практически получить невозможно из-за быстрого плавления электрода. Изделия толщиной до 14 мм свариваются в 1—2 прохода, толщиной свыше 14 мм — в 2—3 прохода. Длина нагреваемого участка должна быть не менее 200 мм. Шлак после сварки удаляют, промывая сварное соединение горячей водой и очищая его стальной щеткой. Изделия из литых сплавов после сварки подвергают термообработке при 300—350 °С с медленным охлаждением, что способствует уменьшению внутренних напряжений. Для получения мелкозернистой сруктуры металла шва остывание детали после сварки во всех случаях должно быть замедленным, а сварной шов следует подвергнуть легкой проковке.

Для сварки магниевых сплавов применяют электроды со стержнем из проволоки, соответствующей по составу основному металлу, с покрытием из фтористых солей или сМеои их с хлористыми солями. Шихту покрытия разводят на воде и наносят на стержень слоем 1—1,1 мм при диаметре проволоки 4 мм и слоем 1,4—1,5 мм при диаметре 8 мм. Сварка производится только в нижнем положении на постоянном токе прямой полярности. Можно использовать и переменный ток, но при этом напряжение холостого хода должно быть не ниже 100—120 В.

Сварка угольными или графитовыми электродами. Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности. Окисную пленку удаляют с помощью флюса, содержащего до 50% фтористых соединений. Шихта флюса замешивается на воде и наносится кисточкой на свариваемые кромки непосредственно перед сваркой. Изделия толщиной до 0,8 мм свариваются встык с отбортовкой кромок без присадочной проволоки, толщиной свыше 0,8 мм—с присадочной проволокой. Стыковые соединения при толщине металла более 2 мм свариваются с зазором в 0,5—0,7 мм или с разделкой кромок. Факел электрической дули должен быть направлен на конец присадочного прутка, а сама дуга — перемещаться вдоль разделки в соответствии со скоростью плавления кромок и прутка. После сварки изделие промывают теплой водой, на поверхность наносят защитную пленку путем оксидирования при 70—80°С в водном растворе, состоящем из 2% бихромата калия, 0,1% хлористого аммония и 3%’ азотной кислоты. Сварка угольным и графитовым электродами в настоящее время вытесняется более производительными способами, обеспечивающими, кроме того, лучшие условия труда сварщикам.

Чистый алюминий имеет ограниченное применение из-за своей низкой прочности и высокой пластичности. В повседневной жизни находят применение сплавы алюминия — дюралю-мины и силумины. При сварке алюминия на поверхности расплавленного металла образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия, которая препятствует процессу сплавления между собой частиц металла. Разность между температурой плавления оксида алюминия (2050 °С) и температурой плавления алюминия (658 °С) создает технологические трудности в ходе сварочных работ.

Независимо от способа сварки изделия должны проходить специальную подготовку. Поверхности обезжиривают и удаляют с них пленку оксида алюминия. Точно так же подготавливают присадочную проволоку и электродные стержни перед нанесением на них покрытия.

Обезжиривание проводят с помощью растворителей, например авиационного бензина или технического ацетона. Следующий этап — механическая зачистка или химическое травление, которое удаляет оксидную пленку. Обезжиривание и травление проводят не более чем за 2-4 ч до сварки.

Для неответственных изделий применяется ручная сварка угольным электродом на постоянном токе прямой полярности. Если металл имеет толщину до 2 мм, то сварку ведут без присадки и без разделки кромок; при толщине металла свыше 2 мм сварку выполняют с зазором, равным 0,5-0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок. Ручная сварка покрывши электродами выполняют при изготовлении конструкций Из Технического алюминия, сплавов АМц и АМг и силумина. При умеренных токах требуемое проплавление обеспечивается ис пользованием постоянного тока прямой полярности с предва рительным подогревом (для средних толщин — 250-300 °С, д. больших толщин — до 400 °С). Скорость сварки алюминия дол жна быть выше, чем скорость сварки стали. Она ведется непр рывно в пределах одного электрода в связи с тем, что плен шлака на кратере в конце электрода препятствует повторном зажиганию дуги.

Сварочный ток принимается из расчета не более 60 А 1 мм диаметра электрода — это обеспечит устойчивость пр цесса и минимальные потери при разбрызгивании. Электр! ды предварительно просушивают при температуре 150-200 °С в течение 2 ч.

При ручной аргонодуговой сварке применяют неплавя: щиеся вольфрамовые электроды в осушенном от влаги аргон высшего сорта на переменном токе. Если толщина сварива мого металла равна 5-6 мм, то применяются электроды ди метром 1,5-5 мм.

Техника сварки имеет здесь свои особенности. Между электродом и присадочной проволокой должен выдерживаться угол примерно в 85-90°. При подаче присадки используют возвратно-поступательные движения. Эффективная защита достигается оптимальным расходом газа. Металл толщиной до 10 мм сваривают справа налево: этот прием позволяет снизить перегрев свариваемого металла.

—

Металлургические особенности сварки алюминия и его сплавов определяются взаимодействием их с газами окружающей среды, интенсивностью испарения легирующих элементов, а также особенностями кристаллизации в условиях сварки. Основным затруднением при сварке является наличие на свариваемых кромках плотной и тугоплавкой Ькисной пленки, которая препятствует сплавлению металла сварочной ванны с основным металлом. Большая трудность заключается в предотвращении порообразования, источником которого в основном является водород. Кроме того, при нагреве алюминий не меняет цвет, и поэтому трудно уловить момент начала его плавления. Для этого требуется опыт и навык сварщика.

При сварке плавлением алюминиевых сплавов наиболее рациональным типом сварных соединений являются стыковые. Для устранения окисных включений в металле шва применяют подкладки с канавкой или разделку кромок с обратной стороны шва, что создает условия для удаления окисных включений из стыка в канавку или разделку. Угол разделки кромок следует ограничивать для уменьшения объема наплавленного металла в соединении, а следовательно, и вероятности образования дефектов. При подготовке деталей к сварке со свариваемых кромок удаляют загрязнения и окислы, кромки профилируют. Обезжиривание и удаление загрязнений производят органическими растворителями. Окисную пленку удаляют металлическими щетками или шабрением. После зачистки кромки вновь обезжиривают. Перед сваркой изделий из алюминиевомагниевых сплавов с содержанием магния повышенной концентрации кромки и особенно их торцевые поверхности необходимо зачищать шабером.

Ручная дуговая сварка неплавящимся электродом является лучшим способом для сварки изделий из тонколистового металла, так как обеспечивает минимальную деформацию изделия и высокое качество сварного шва. Сварку ведут на переменном токе с применением осцилляторов. С помощью переменного тока разрушается оксидная пленка, что достигается катодным распылением в моменты, когда катодом является изделие. Ручную сварку можно выполнять во всех пространственных положениях как с присадочным металлом, так и без него. Дуга, длина которой не должна превышать 2,5 мм, зажигается на вспомогательной графитовой пластинке, а затем, переносится на изделие. Расстояние от выступающего конца электрода до нижнего среза наконечника горелки при сварке стыковых соединений должно составлять 1—1,5 мм, при сварке тавровых соединений — 4 — 8 мм. Сварку выполняют без поперечных колебаний. Химический состав присадочной проволоки и основного металла должен быть близким. Рабочее давление аргона устанавливается в пределах 0,01—0,05 МПа. Подача аргона начинается за 3—5 с до возбуждения дуги, а прекращение — спустя 5—7 с после обрыва дуги.

Дуговая сварка покрытыми электродами применяется при изготовлении конструкций из металла толщиной более 3 мм. Недостатком является внутренняя пористость сварных швов. При сварке термически упрочняемых сплавов прочность сварных соединений меньше прочности основного металла. Стыковые бесскосные соединения рекомендуются для металла толщиной до 5 мм, при больших толщинах делается разделка под углом 600 и притуплением 1—2 мм. Кромки соединяемых деталей перед сваркой зачищают с помощью ручных или механических проволочных щеток, а затем обезжиривают. Наиболее чистую поверхность кромок получают при химической очистке. Изделие толщиной до 4 мм сваривают без подогрева, толщиной 5—6 мм — с подогревом начала шва до 100 °С, толщиной 8 — 10 мм — с подогревом до 160—200 °С, при большей толщине подогрев должен быть еще выше. Сварку ведут электродами диаметром 4—8 мм на постоянном токе обратной полярности при быстром их перемещении без поперечных колебаний. Для заплавления кратера в конце сварки дугу следует обрывать постепенно.

Сварка угольным электродом используется при случайных работах небольшого объема и отбортовке тонколистового алюминия. Этот способ сварки позволяет получить плотные швы, практически равнопрочные основному металлу. Изделия под сварку подготовляют, как и под сварку покрытыми электродами. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности только в нижнем положении. Присадочным материалом служит электродная проволока АО, А1 или прутки из сплава АК- Сварку выполняют без поперечных колебаний при угле наклона электрода 10—20° к вертикали с подформовкой обратной стороны шва. Факел электрической дуги направляют на конец присадочного прутка, а дугу перемещают вдоль разделки в соответствии со скоростью плавления кромок и прутка. Изделия толщиной до 0,8 мм сваривают встык с отбортовкой кромок без присадочной проволоки, толщиной более 0,8 мм — с присадочной проволокой. Стыковые соединения из металла толщиной более 2 мм сваривают с зазором 0,5—0,7 мм или с разделкой кромок. Для удаления окисной пленки применяют специальный флюс, шихта которого замешивается на воде, и в пастообразном состоянии флюс наносят кисточкой на свариваемые кромки непосредственно перед сваркой. Остатки флюса и шлаки сильно разъедают алюминий, поэтому их следует тщательно удалять с поверхности шва и прилегающего к нему основного металла промывкой водой или механическим способом.

Плазменная сварка является перспективным способом сварки для соединения алюминиевых сплавов благодаря высокой скорости, стабильности процесса и значительному сокращению зоны термического влияния. Однако плазменная сварка требует точной сборки деталей и ведения горелки строго по свариваемому стыку. В основном сварку ведут на переменном токе. Для сварки на постоянном токе обратной поляпности требуются специальные горелки с усиленным принудительным охлаждением вольфрамового электрода. При микроплазменной сварке можно сваривать алюминиевые сплавы толщиной 0,2—1,5 мм при силе тока 10—100 А с применением лантанированных электродов диаметром 0,8 — 1,5 мм.

Газовая сварка выполняется нормальным пламенем. Избыток кислорода и горючего газа не допускается, так как свободный кислород окисляет алюминий, а избыток горючего газа приводит к сильной пористости шва. Мощность пламени горелки выбирается из расчета 75 дм3/ч ацетилена на 1 мм толщины свариваемого металла. Сварку ведут восстановительной зоной пламени, расстояние от конца ядра до свариваемой поверхности 3— 5 мм. Основным видом соединений являются стыковые с зазором 0,5—3 мм, что соответствует толщине металла 0,5—5 мм. На толщинах до 5 мм скос кромок не делают, на толщинах до 12 мм применяют V-образную разделку, а свыше 12 мм — Х-образную разделку. После зачистки кромок и присадочной проволоки их промывают в щелочном растворе;, а потом в воде. Затем кромки и проволоку травят в течение 2 мин в растворе ор-тофосфорной или азотной кислоты. После травления их промывают в горячей воде, затем в холодной воде и протирают ветошью. Для облегчения разрушения окис-ной пленки и удаления окислов из сварочной ванны применяют флюсы из щелочных и щелочноземельных элементов, легкоплавких смесей хлористых соединений и небольшого количества фтористых соединений. Их наносят на кромки или нагретую сварочную проволоку в виде порошка или пасты. При выполнении прихваток флюс наносят только на присадочный металл. Сварку ведут левым способом при толщине металла до 5 мм, при толщине металлов более 5 мм — применяют правый способ. В начале сварки мундштук горелки устанавливают под углом 90° к свариваемой поверхности, а затем по мере прогрева деталей под углом 20—45 ° в зависимости от толщины металла. Угол наклона присадочной проволоки в течение всего процесса составляет 40—60 Сварку изделий толщиной до 3 мм выполняют без поперечных колебаний горелки, а при больших толщинах — с поперечными колебаниями. Детали толщиной более 10 мм перед сваркой подогревают до 300— ; 350 °С. Сварка должна осуществляться без перерыва, отрыв пламени от сварочной ванны не допускается. Сварку листовых изделий начинают в 50—100 мм от края. Оставленные участки затем заваривают в обратном направлении.

Ваш отзыв