Способы сварки алюминия и его сплавов

Для алюминия и его сплавов возможно применение почти всех промышленных способов сварки плавлением и давлением. Ручную дуговую сварку покрытыми электродами в настоящее время используют редко, хотя она в принципе возможна. Наибольшее распространение для изготовления сварных конструкций приобрела дуговая сварка в инертных газах. Автоматическую дуговую сварку с использованием флюсов применяют для крупногабаритных конструкций, электрошлаковую — для металла больших толщин. Для получения сварных швов с высокими механическими характеристиками используют также электроннолучевую и лазерную сварку.

Дуговая сварка в среде инертных газов наиболее распространена при изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Осуществляется как неплавящимся вольфрамовым электродом, так и плавящимся. Используемые инертные газы: аргон высшего и первого сорта по ГОСТ 10 157–79, гелий высокой чистоты и смесь аргона с гелием. Выбор конкретного способа сварки определяется толщиной металла, конструкцией изделия и масштабом производства.

Дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом. В качестве нсплавящсгося электрода применяют вольфрам с добавками лантана, итгрия и других элементов. Использование чистого вольфрама не рекомендуется. Отмеченные примеси придают электроду повышенную стойкость, обеспечивают большую плотность тока и другие преимущества.

Питание дуги осуществляется от источника переменного тока, что обеспечивает разрушение оксидной пленки за счет эффекта катодного распыления. Использование дуги переменного тока связано с тем, что при сварке постоянным током обратной полярности из-за возможного расплавления вольфрамового электрода допустим сварочный ток небольшой величины, а при сварке постоянным током прямой полярности затруднено удаление оксидной пленки.

Сварку вольфрамовым электродом выполняют вручную, механизировано или автоматически. При сварке в среде гелия напряжение повышается на 7… 10 В, при этом дуга укорачивается, а сила тока снижается на 10… 15%. Расход газа при использовании гелия увеличивается в 1,8…2,2 раза. Ручная сварка ведется на меньших значениях тока в один или несколько проходов в зависимости от толщины.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертных газов является наиболее универсальным способом сварки, который позволяет выполнять сварку в различных пространственных положениях и труднодоступных местах. При этом достигается высокая прочность и пла;

стичность сварных соединений, близкие к прочности и пластичности основного металла.

Сварка вольфрамовым электродом диаметром 2…6 мм целесообразна для узлов алюминия и его сплавов толщиной до 12 мм. Металл толщиной до 3 мм сваривают за один проход на стальной подкладке; при толщине металла 4…6 мм сварку выполняют с двух сторон, а начиная с толщины 6…7 мм применяют разделку кромок (Vили Х-образную). Соединение с отбортовкой кромок целесообразно для металла толщиной 0,8…2 мм. Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алюминия — проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа АМг — проволоку той же марки, но с увеличенным (на 1… 1,5%) содержанием магния для компенсации его угара. Диаметр проволоки составляет 2…5 мм. Рекомендуемые режимы ручной сварки приведены в табл. 14.

Таблица 14.

Рекомендуемые режимы ручной дуговой сварки вольфрамовым электродом

Для обеспечения надежной газовой защиты в зависимости от режима сварки устанавливают оптимальный расход газа (от 4 до 12 л/мин при ручной сварке и до 30 л/мин при автоматической). Чрезмерный расход газа приводит к его турбулентному истечению и засасыванию воздуха в зону дуги, т. е. к нарушению газовой защиты, а при малом истечении газа (или чрезмерно большой скорости сварки) защита зоны сварки будет недостаточной. Подачу защитного газа включают с помощью аппаратуры управления за 3…5 с до возбуждения дуги, а выключение подачи — через 5…7 с после обрыва дуги.

При выполнении сварки алюминия и его сплавов вручную особое внимание уделяется технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электродом должен быть примерно 90°. Присадка подастся короткими возвратно-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Длина дуги — 1,5…2,5 мм. Вылет электрода ог торца наконечника горелки — 1___1,5 мм. Сварку обычно ведут справа налево («левый» способ), чтобы снизить перегрев свариваемого металла.

Для сварки алюминия и его сплавов малых толщин целесообразно применять импульсную дугу переменного тока. При ее использовании удается сваривать алюминиевые сплавы толщиной от 0,2 мм. Стыковые соединения металла толщиной 0,2… 1 мм сваривают на стальных подкладках с формирующей канавкой, используя присадочную проволоку диаметром 0,6…0,8 мм. При этом коробление изделия снижается на.

40. .60%.

Сварка плавящимся электродом. Плавящийся электрод применяют при дуговой сварке алюминиевых сплавов толщиной более 4 мм. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности при силе тока, обеспечивающей струйный перенос электродного металла, проволокой.

1.5. .2.5 мм. В связи с недостаточно высокой жесткостью алюминиевой проволоки сварка проволокой диаметром менее 1,2… 1,5 мм затруднительна. Сварку ведут в чистом аргоне либо в смеси аргона и гелия (до 70% Не). При этом газовую смесь предпочитают при сварке металла больших толщин. Ориентировочные параметры режимов сварки плавящимся электродом сплавов типа АМг приведены в табл. 15.

Таблица 15.

Рекомендуемые режимы сварки манящимся электродом в защитных газах алюминиевых сплавов типа АМг

При сварке на постоянном токе обратной полярности обеспечивается надежное разрушение оксидных пленок за счет катодного распыления и хорошее формирование швов. Преимуществами процесса сварки плавящимся электродом являются: хорошее перемешивание металла сварочной ванны, что снижает вероятность образования крупных оксидных включений в металле швов; высокая производительность, особенно при сварке металла большой толщины. Однако при этом способе сварки показатели механических свойств несколько ниже, чем при сварке неплавящимся электродом.

При необходимости вести сварку в различных пространственных положениях используют импульсно-дуговой процесс. Импульсное изменение сварочного тока позволяет обеспечить направленный перенос электродного металла в сварочную ванну и удержание металла сварочной ванны независимо от пространственного положения сварки. Кроме того, пульсация мощности дуги способствует получению более мелкозернистой структуры металла шва, плавных очертаний швов с мелкочешуйчатым строением.

Автоматическая электродуговая сварка по слою флюса. Этот способ сварки используют при изготовлении конструкций типа емкостей, котлов, цистерн из технического алюминия и сплава АМц, как правило, сравнительно большой толщины (10…30 мм). Сварку производят не под флюсом, а по флюсу полуоткрытой дугой, то есть при наличии впереди движущейся дуги пониженного дозированного слоя флюса, который, не закрывая дугу, обеспечивает достаточно надежную защиту металла сварочной ванны и удаление оксидной пленки. Выделяющиеся газы и пары металла изолируют зону сварки от проникновения воздуха. Толщина слоя дозируемого флюса обычно составляет 7… 16 мм, а ширина 25…45 мм в зависимости от толщины свариваемого металла. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности одинарным или сдвоенным (расщепленным) электродом на стальной формирующей подкладке при вылете электрода 50…60 мм с использованием фторидно-хлоридных флюсов.

Необходимость такой технологии обусловлена высокой электропроводностью флюсов, применяемых для сварки алюминия и его сплавов. Толстый слой токопроводящего флюса в расплавленном состоянии вызывает значительное шунтирование тока дуги при сварке под флюсом, что нарушает устойчивость се горения, приводит к плохой дегазации и формированию шва. При тонком слое флюса это явление исключается.

Для сварки по флюсу технического алюминия и сплавов типа АМц (нс содержащих магния) применяют флюсы АН-А1 и УФОК-А1, содержащие галогениды (40…50% КС1, 20…30% NaCl) и 30% криолита Na3AlF₆. Галогениды практически не взаимодействуют с жидким алюминием, а криолит при высоких температурах хорошо растворяет оксидную пленку, что предотвращает образование шлаковых включений в швах:

Для сварки самых распространенных алюминиевых сплавов типа АМг флюсы АН-А и УФОК-А1 непригодны, так как натрий из флюса частично восстанавливается магнием и поступает в шов, вызывая образование пор, горячих трещин и снижает пластичность металла. Для сварки этих сплавов применяют флюсы АН-А4, МАТИ-10 и 48-АФ-1, относящиеся к системе ВаСЬ"КС1, с добавлением к этой основе по 7,5% ZiF и A1F₃, которые образуют литиевый криолит, изменяющий температуру плавления основы флюса и существенно упрощающий удаление оксидной пленки.

При сварке технического алюминия и сплава АМц обычно используют проволоку, близкую по составу к свариваемому металлу. Для получения коррозионно-стойких соединений алюминия, эксплуатируемых в агрессивных средах, например в азотной кислоте, применяют проволоку, легированную цирконием, хромом или титаном.

Для сварки алюминиево-магниевых сплавов целесообразно применять проволоку с несколько большим содержанием магния, чем в основном металле, с целью компенсации угара магния и повышения прочности металла шва. Например, для сварки сплава АМг5 можно применять проволоку Св-АМгб.

Благодаря высокой концентрации энергии при сварке алюминия и его сплавов по флюсу достигается глубокое проплавление основного металла. Поэтому металл толщиной 20…25 мм и более может свариваться без разделки кромок.

Разработан также процесс сварки алюминия толщиной 10 мм и выше под слоем керамического флюса ЖА-64, имеющего пониженную электропроводность и относительно невысокую гигроскопичность. Этот флюс имеет следующий состав: 38…48% КС1; 15… 19%NaCl; 30…44% Na₃AlF₆ и 3…5% Si0₂. Повышенное содержание криолита и введение в его состав кварцевого песка снижает электропроводность расплава флюса, что позволяет выполнять сварку закрытой дугой. Сварку ведут на повышенных плотностях тока расщепленным электродом переменным или постоянным током обратной полярности. При этом предъявляются повышенные требования к вентиляционным системам для удаления паров флюса.

Электрошлаковую сварку алюминия и его сплавов используют для соединения заготовок толщиной 50…300 мм. Технология электрошлаковой сварки принципиально нс отличается от известных приемов сварки других металлов. Сварку ведут на переменном токе электродами большого сечения — пластинчатыми или плавящимися мундштуками. Электродную проволоку из-за возможной потери ее жесткости применять затруднительно. Сварку выполняют с использованием специально разработанных флюсов на основе фтористых солей калия, лития, бария (АН-301, АН-302 и др.). Поскольку такие флюсы в расплавленном состоянии имеют повышенную жидкотекучесть, принимают дополнительные меры для предотвращения их утечки через возможные зазоры между поверхностями деталей и формирующих устройств (укладывают асбестовые шнуры, глину и т. п.). Формирование шва осуществляют медными водоохлаждаемыми кристаллизаторами. Плотность тока в электроде — около 2,5 А/мм, скорость сварки — 6…8 м/ч. Средний коэффициент прочности сварных соединений в зависимости от состава свариваемых материалов может изменяться в пределах от 0,8 до 1. Например, коэффициент прочности сварного соединения из технически чистого алюминия равен 1, а у сварных соединений из сплава АМг-4 — достигает 0,92. В целом технико-экономическая эффективность электрошлаковой сварки возрастает с увеличением толщины свариваемых изделий.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами применяется в основном при изготовлении неответственных, малонагруженных конструкций из технического алюминия, алюминиевых сплавов типа АМц и АМг, содержащих до 5% Mg, а также изделий из силумина при толщине металла более 4 мм.

Наиболее применяемый тип соединения — стыковое. Соединения внахлестку и тавровые нс рекомендуют, так как возможно затекание шлака в зазоры, откуда его сложно удалить при промывке. Остатки шлака могут вызвать коррозию.

При сварке металла толщиной 10 мм и более необходим подогрев при температуре, выбранной в зависимости от толщины металла в интервале 100. .400 °С. Элекгроды применяют диамегром 4. .8 мм. Стержень электрода изготавливают из проволок состава, близкого к составу основного металла. Для сплавов типа АМг берут проволоку с увеличенным на 2% содержанием магния для компенсации его угара при сварке.

Основу покрытия составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия. Сила сварочного тока /_св = (50…60)^, = 30…36 В.

Ток постоянный обратной полярности. Сварку рекомендуется выполнять на высоких скоростях, без колебаний конца электрода, непрерывно в пределах одного электрода, так как при случайных обрывах дуги кратер и торец электрода покрываются коркой шлака, имеющей значительное электрическое сопротивление и препятствующей зажиганию дуги.

Металл толщиной до 10 мм сваривают без разделки кромок. Зазор в стыке не должен превышать 0,5… 1 мм. Сварку обычно производят с двух сторон. Прихватки и нижележащие слои при многослойной сварке тщательно зачищают от шлака и оксидов.

Окончательно сваренные изделия промывают горячей водой, а швы протирают волосяными щетками. Полученные таким образом сварные соединения обладают удовлетворительными механическими свойствами.

Электронно-лучевая сварка является эффективным способом соединения заготовок из алюминиевых сплавов. По сравнению с другими методами сварки плавлением этот метод позволяет производить сварку при высоких плотностях теплового потока, минимальных тепловложениях и высоких скоростях, что до минимума сокращает время пребывания расплавленного металла в твердожидком состоянии и термическое воздействие на основной металл. В результате можно получить плотные качественные швы без образования горячих трещин, избежать разупрочнения металла в околошовной зоне для высокопрочных алюминиевых сплавов и снизить деформации конструкций.

Разрушение оксидной пленки при электронно-лучевой сварке идет за счет воздействия на пленку паров металла и за счет разложения оксида алюминия в вакууме с образованием газообразного субоксида алюминия АЮ. Вакуум способствует также удалению водорода из шва.

Примером электронно-лучевой сварки может служить режим сварки пластин толщиной 10 мм из сплава АМгб: ускоряющее напряжение и_ус = 20 кВ, сила тока луча /_л = 140 мА, скорость сварки V_CB = 72 м/ч. Механические свойства сварного соединения близки к свойствам основного металла.

Вопросы для самопроверки

• 1. Как классифицируются алюминиевые сплавы? Приведите примеры обозначения сплавов разных систем легирования.
• 2. Какими свойствами обладают алюминиевые сплавы?
• 3. Перечислите особенности сварки алюминия и его сплавов.
• 4. Какие методы используют для удаления оксидной пленки перед сваркой и в процессе ее выполнения?
• 5. Укажите способы борьбы с пористостью в швах при сварке алюминия и его сплавов.
• 6. Перечислите способы сварки алюминия и его сплавов.
• 7. В чем преимущества импульсно-дуговой сварки алюминия и его сплавов плавящимся электродом в защитных газах?
• 8. В чем особенность дуговой сварки алюминия плавящимся электродом по слою флюса?