Сварка алюминия и его сплавов

Сварка алюминия и его сплавов затруднена тем, что на поверхности расплавленного металла постоянно образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия Al₂O₃, препятствующая сплавлению частиц металла между собой. Высокая температура плавления оксида алюминия (2050 °C) и низкая температура плавления алюминия (658 °C) крайне затрудняют управление процессом сварки. Попадая в шов, окисная пленка образует неметаллические включения, резко снижая показатели прочности и пластичности.

Алюминий при расплавлении не меняет свой цвет, поэтому визуальное наблюдение при сварке за состоянием ванны затруднено, особенно при подогреве, так как в один момент металл стыка может просто провалиться, распасться. Алюминий очень хрупок в нагретом состоянии. При сварке окисную пленку удаляют флюсами, покрытиями электродов и специальными циклическими импульсами на дуге от источников питания.

Следующая трудность – образование пор по причине наличия в шве водорода. Он, вяло выделяясь из ванны, оставляет дефекты в виде пор. Алюминий при сварке склонен к кристаллизационным трещинам. Присутствие в нем железа и кремния сильно влияет на появление трещин в металле шва. Увеличение содержания кремния до 0,6 % снижает стойкость против образования трещин. Железо в шве до 0,7 % положительно влияет на стойкость к образованию трещин. При содержании железа более 0,8 % стойкость к образованию трещин снижается.

К проблемным параметрам алюминия при сварке относятся также высокая теплопроводность – в 3 раза выше, чем у железа, и высокий коэффициент теплового расширения – в 2 раза больше, чем у железа, что способствует увеличению деформаций.

Абсолютное большинство сварных конструкций изготавливается из деформируемых, термически не упрочняемых сплавов алюминия с марганцем (АМц) и с магнием (АМг), а также литейных недеформируемых сплавов алюминия с кремнием (силумин). К таким сплавам относятся: АД, АД-1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД33, АД35, Д20, ВАД-1, В92У.

Для прочих сплавов сварка плавлением почти не применяется, так как околошовная зона сильно разупрочняется и невозможно получить прочное соединение. Распространенный сплав алюминия с медью (4–5 % Cu) Д16, Д1, называемый дюралюминием, имеет очень плохую свариваемость и для сварных конструкций не применяется, а соединяется клепкой.

Высокая теплопроводность алюминия и его сплавов требует применения специальных технологических приемов, а при массивных деталях – предварительного подогрева. Алюминий сваривают плавлением и давлением; в первом случае применяется ручная и механизированная сварка в аргоне плавящимся и неплавящимся электродом, покрытыми электродами, газовая.

Независимо от способа сварки алюминиевые изделия перед сваркой должны проходить специальную подготовку, заключающуюся в обезжиривании металла и удалении с его поверхности пленки оксида алюминия. Поверхность металла обезжиривают растворителями (авиационным бензином, техническим ацетоном), затем механической зачисткой или химическим травлением удаляют оксидную пленку.

Химический способ удаления пленки оксида алюминия состоит из следующих операций: травление в течение 0,5–1 мин раствором 45–55 г едкого натра и 40–50 г фтористого натрия на 1 л воды; промывка в проточной воде; нейтрализация в 25–30 %-ном растворе азотной кислоты в течение 1–2 мин; промывка в проточной, а затем в горячей воде; сушка до полного удаления влаги. Обезжиривание и травление рекомендуется делать не более чем за 2–4 ч до сварки.

Ручную электросваркуалюминия используют во многих случаях.

Ручную сварку угольным электродом на постоянном токе прямой полярности используют только для неответственных изделий. Этот способ сварки ранее успешно был внедрен электротехниками для сварки контактов электропроводов. Недостаток: чистый алюминий загрязняется углеродом. Оксидную пленку удаляют с помощью флюса АФ-4А (табл. 39). Сварку ведут на графитовых или угольных подкладках. Электроды графитовые или угольные, ? 8–15 мм; сварочный ток – 150–450 А. Флюс наносят на основной и присадочный материал.

Сварку металла толщиной до 2 мм ведут 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.

Ручную сварку покрытыми электродами применяют в основном при изготовлении малонагруженных конструкций из технического алюминия, сплавов типа АМц и АМг, силумина при толщине материала более 5 мм. Тонкий листовой алюминий (до 3 мм) нужно варить с отбортовкой.

Использование постоянного тока обратной полярности с предварительным подогревом (для средних толщин – 250–300 °C, для больших толщин – до 400 °C) обеспечивает требуемое проплавление при умеренных сварочных токах. В связи с тем, что алюминиевый электрод плавится в 2–3 раза быстрее стального, скорость сварки алюминия должна 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 применять сварочный ток из расчета 25–32 А на 1 мм диаметра электрода, но не более 60 А.

Электроды ОЗА-1 предназначены для сварки алюминия АД0, А6, АД1, АД и подобного. Электродный стержень Св-А97 (ГОСТ 7871–75). Предел прочности металла шва 6,5–8,5 кгс/мм². После сварки шов следует немедленно промыть горячей водой и очистить стальной щеткой от остатков шлака. Покрытие электродов гигроскопично (поглощает влагу из окружающей среды), поэтому электроды перед сваркой просушивают при температуре 200 °C в течение 2 ч.

Для заварки литейных дефектов применяются электроды марки ОЗА-2 с электродным стержнем из кремнистого алюминия АК5 (ГОСТ 7871–75). Электроды ОЗА-2 применяются для наплавки деталей из литейных сплавов марки AЛ-2, АЛ-4, AЛ-5, AЛ-9, АЛ-11, а также для их сварки. При сварке нужно учитывать необходимость любых подкладок (даже формовка размягченным водой асбестом) для удержания расплава алюминия от провала.

Рекомендованные флюсы приведены в табл. 39. Флюс наносится либо в виде порошка, либо в виде пасты, приготовленной на воде или спирте. Разводят флюс в необходимом количестве с учетом его хранения до 6 ч в закрытой таре, чтобы не уменьшить его химическую активность. При применении указанных флюсов для электродных покрытий к ним добавляют до 30 % криолита Na₃AlF₆.

Основной вид соединения – стыковой, но при механизированной сварке в защитных газах применяют и тавровые, угловые соединения.

Аргонодуговая сварка алюминия. Аргонодуговая сварка алюминия и его сплавов с середины 60-х годов прошлого века является несложной и хорошо разработанной в части технологии сварки задачей. Она обеспечивает наилучшее качество по прочности, внешнему виду, имеет наименьшие технологические сложности. При ручной дуговой сварке применяется неплавящийся вольфрамовый электрод, а при полуавтоматической и автоматической – плавящийся, хотя при автоматической сварке нередко применяют и неплавящийся электрод.

При сварке в аргоне не требуется тщательной подготовки (очистки от окислов) кромок алюминия, сварка выполняется на специальном оборудовании, импульсом тока дуги, от которого разрушается и удаляется окисная пленка. В процессе сварки хорошо видно, как пленка окислов оттесняется в стороны от ванны и вскрывается чистый (как ртуть) серебристый металл, который медленно расплавляется при правильном режиме.

Сварщику необходимо помнить, что алюминий и его сплавы при нагреве сразу переходят из твердой фазы в жидкую, минуя пластическую. Поскольку при нагреве до 400–500 °C алюминий почти полностью теряет прочность, надо следить за тем, чтобы деталь не разрушилась под действием собственной силы тяжести.

Для автоматической сварки алюминиевых сплавов вольфрамовым (неплавящимся) электродом оптимальные режимы указаны в табл. 40. На сварочных полуавтоматах применяется сварочная алюминиевая проволока ? 1–2 мм, сварочный ток до 300 А, скорость подачи проволоки – 150–650 м/ч, расход защитного газа (аргона) 300–600 л в час; чем больше скорость сварки, тем больше расход аргона. Сварка вольфрамовым (неплавящимся) электродом выполняется на переменном токе с использованием в сварочной цепи специального осциллятора. Сварка плавящимся электродом проводится на постоянном токе при обратной полярности, сварочный ток – 300–400 А, напряжение на дуге 38–44 В, скорость сварки – 12–20 м/ч. При сварке вольфрамовым электродом на прямой полярности («—» на электроде) стойкость электрода и допустимый предельный ток выше примерно в 7 раз.

Присадочную проволоку ? 2,0 мм подают в зону сварки механически, по мере надобности. Подающий механизм по принципу действия – не толкающего, как для стальной проволоки, а тянущего типа.

Ручную аргонодуговую сварку выполняют неплавящимся вольфрамовым электродом в осушенном от влаги аргоне высшего или первого сорта на переменном токе. Для металла толщиной до 5–6 мм используют электроды ? 1,5–5,0 миллиметров.

Проволоку и свариваемые кромки обезжиривают ацетоном или бензином, затем счищают окисную пленку стальной щеткой. Зачистка позволяет сохранить алюминий чистым в течение 2 часа.

Сварка выполняется без поперечных колебаний электродом или прутком. Сварку желательно вести на больших скоростях в один слой, чтобы не перегревать металл.

Если толщина свариваемого металла более 8 мм, то алюминий нужно предварительно подогревать до температуры 150–300 °C горелкой – по 80–100 мм с каждой стороны стыка.

Особые требования предъявляются к технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электродом должен составлять ~90°. Присадку следует подавать короткими возвратно-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Обеспечение эффективной защиты для каждого режима сварки достигается оптимальным расходом газа (табл. 41). Для уменьшения опасности окисления размеры сварочной ванны должны быть минимальными. Сварку алюминия толщиной до 10 мм обычно ведут левым способом (справа налево), который позволяет снизить перегрев свариваемого металла.

Автоматическая сварка алюминия по флюсу. Особенность сварки алюминия – по флюсу, а не под флюсом – заключается в том, что флюс имеет высокую электропроводность, шунтируется электродугой и дуга горит с видимым ярким свечением.

Применяемый флюс марки АН-А1 имеет следующий состав: хлористый калий (50 %), хлористый натрий (20 %), криолит Na₃AlF₆ (30 %). Есть и другие марки флюсов, например АН-А4, АН-А6, но их составы отличаются незначительно. Высота слоя флюса – 15–30 мм; сварочная проволока – Св-А97 и Св-АМц ? 2–3 мм. Сварку ведут постоянным током при обратной полярности. Сварочный ток – 300–400 А, напряжение на дуге – 38–44 В (т. е. повышенное), скорость сварки – 12–20 м/ч. Алюминий толщиной 4–10 мм варят таким способом без разделки на стальной подкладке.

Газовая сварка алюминия. Одним из наиболее доступных и недорогих способов сварки алюминия и его сплавов является газовая сварка с использованием как ацетилена, так и пропан-бутана. Способ является надежным и незаменимым при отсутствии технических возможностей применить более совершенный способ, например аргонодуговую сварку. По качеству соединения деталей газовая сварка дает удовлетворительные результаты. Однако основным видом соединений при газовой сварке алюминия и его сплавов является стыковое. Выполнять тавровые, угловые и нахлесточные соединения не рекомендуется.

Кромки разделывают механическим способом и за 2 ч до сварки тщательно зачищают. Перед сваркой кромки деталей и присадочную проволоку промывают в течение 10 мин в щелочном растворе, содержащем 20–25 г едкого натра и 20–30 г карбоната натрия на 1 дм³ воды при температуре 65 °C, с последующей промывкой в воде. После этого кромки и присадку протравливают в течение 2 мин в 15 %-ном растворе азотной кислоты, промывают в горячей и холодной воде, а затем сушат.

Сварку проводят с применением флюсов (см. табл. 39), до создания которых газовая сварка алюминия была невыполнимой задачей. Для ответственных сварочных работ, в особенности для тонких металлов, при сварке алюминия и сплавов нужно применять флюсы, содержащие соли лития. Лучшим из них считается флюс АФ-4А. В качестве горючего газа, кроме ацетилена, можно использовать природный газ, пропан-бутановые смеси и водород. Качество соединения в таких случаях получается вполне удовлетворительное.

Флюс наносят в зону сварки различными удобными способами в виде пасты или порошка, прилипающего к разогретому металлу. Находящиеся во флюсе фтористые соединения растворяют окисную пленку Аl₂О₃ в расплавленной ванне, а хлористые соли лития отнимают кислород у окиси алюминия, и металл становится чистым. Флюсы очень гигроскопичны, поэтому их хранят в герметичной таре. Флюс, разведенный в виде пасты на воде, может храниться не более 10 часов.

Соли лития очень дефицитны и дороги, поэтому делается много попыток создать флюсы, не содержащие лития. Но все безлитиевые флюсы на сегодняшний день не являются полноценными; это всего лишь заменители, дающие более или менее удовлетворительные результаты.

Настоящий флюс содержит от 15 до 30 % солей лития. Проверка его пригодности проводится так: нагревается небольшая зона (точка) горелкой до появления серой шероховатой поверхности (окисления), затем разогрев посыпается флюсом. Если поверхность металла очищается до ртутного блеска, то флюс хороший.

Сварку осуществляют в нижнем положении за один проход с максимально возможной скоростью. Левым способом сваривают детали толщиной до 5 мм, правым – толщиной свыше 5 мм. Сварку плоских конструкций целесообразно выполнять обратноступенчатым методом.

Детали толщиной свыше 10 мм перед сваркой рекомендуется подогреть до температуры 300–350 °C. В качестве присадочного материала используют сварочную проволоку одиннадцати марок (СвАК5, СвАМц, СвАМг3 и др.).

Пламя газовой горелки нормальное, его тепловую мощность выбирают исходя из расхода ацетилена 75 дм³/ч на 1 мм толщины металла. Сварку ведут с расположением мундштука горелки под углом 20–40°, а прутка – под углом 40–60° к плоскости детали. При сварке нужно постоянно помешивать (или щупать – при подогреве) концом прутка ванну. Прочность сварного шва составляет 70–90 % от прочности основного металла. Чтобы флюс не разъедал алюминий, после сварки его удаляют промывкой горячей водой или пятиминутным травлением в 2 %-ном растворе хромовой кислоты при температуре 80 °C. При обнаружении на поверхности белого налета промывку повторяют.