Технология сварки алюминия и его сплавов

Характеристика алюминия и его сплавов

Алюминий относится к числу наиболее распространенных в земной коре металлов (7,45%). Однако в чистом виде алюминий в природе не встречается. Наиболее распространенные алюминиевые руды — бокситы, состоящие из гидратов оксида алюминия АЮ (ОН), А1(ОН)₃ и др., содержащих в своем составе до 70 % глинозема АЬОз с примесью кремнезема Si0₂ и пустой породы. Производство металлического алюминия состоит из двух основных процессов: получение глинозема А1₂0з из бокситов и получение электролизом алюминия из глинозема, растворенного в расплавленном криолите (Na3AlF₆).

Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета. Температура плавления — 658 °C, температура кипения — 2270…2500 °С. Алюминий не имеет полиморфных превращений, обладает гранецентрированной кубической решеткой с периодом а = 0,4041 нм. Наиболее важной характеристикой алюминия является низкая плотность: 2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,9 г/см³ для меди. Алюминий обладает высокой электрической проводимостью, составляющей 65% от электропроводности меди.

В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999% А1), высокой чистоты А995 (99,995% Al), А99 (99,99% А1), А97 (99,97% А1), А99,95 (99,95% А1) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, АО (99,0% А1). Технический алюминий изготовляют в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1. Постоянными примесями алюминия являются Fc, Si, Си, Mn, Zn, Ti.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной защитной пленки А1₂0₃. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость. Отожженный алюминий высокой чистоты имеет низкую прочность (<�т_в = 50 МПа) и высокую пластичность (S = 50%).

Благодаря высокой пластичности в отожженном состоянии чистый алюминий легко поддается штамповке, прессовке, холодной протяжке, в результате чего происходит измельчение зерен алюминия — появляется наклеп, повышающий прочность и твердость металла и снижающий пластичность. При обжатии его до 40% чистый алюминий приобретает полунагартованное состояние. В этом состоянии его прочность и твердость возрастают почти в два раза. Для такого же упрочнения большинства алюминиевых сплавов требуется гораздо меньшая степень обжатия.

(от 5 до 20%). Прессовкой изготовляют разнообразные профили и трубы, в том числе замкнутые.

Таким образом, алюминий в отожженном состоянии легко обрабатывается давлением, но плохо подается обработке резанием, главным образом из-за налипания стружки на кромки режущего инструмента.

Чистый алюминий, ввиду низкой прочности, для изготовления конструкций используют лишь в отдельных случаях в химической, пищевой и электротехнической промышленности. Технический алюминий (АДО и АД1) применяют для изготовления элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность и электрическая проводимость (например, различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы и проч.). Для нагруженных конструкций в качестве консгрукционных материалов в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и проч.) из более прочных 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.

Алюминий и его сплавы обычно подразделяют на две основные группы — деформируемые и литейные. Теоретической границей, разделяющей эти сплавы, служит предел растворимости элементов в твердом растворе (рис. 12).

Рис. 12. Классификация алюминиевых сплавов:

1 — деформируемые: 2 — литейные: 3 — деформируемые, не упрочняемые термообработкой; 4 — деформируемые, упрочняемые термической обработкой

Деформируемые сплавы имеют концентрацию легирующих элементов меньше предела растворимости и при нагреве могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность.

Литейные сплавы лежат за пределами растворимости и имеют в структуре эвтектику. Наличие последней сообщает сплавам хорошие литейные свойства, но ухудшает их способность к деформированию.

Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладают ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термообработкой. В связи с этим деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на сплавы, не упрочняемые термообработкой, имеющие концентрацию легирующих элементов ниже предела растворимости при комнатной температуре, и сплавы, упрочняемые термообработкой, имеющие концентрацию легирующих сверх этого предела.

К деформируемым сплавам не упрочняемых термической обработкой относятся технический алюминий марок АДО, АД1 и др., алюминиево-марганцевый сплав АМц (А1 -ь 1,3% Мп) и группа сплавов системы Al-Mg: AMrl, АМг2, АМгЗ, АМг5, АМгб (А1 + 1, 2, 3, 5, 6% Mg + примеси: 0,2…0,8% Мп; 0,02…0,1% Ti; до 0,005% Be). Предел прочности, например, сплава АМгб в нагаргованном состоянии составляет.

350…400 МПа, в отожженном — 320…350 МПА, относительное удлинение S = 15…20%.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. В сварных соединениях они способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и коррозионной стойкости. Поэтому большинство сварных конструкций изготовляют из данных сплавов (корпуса судов, рамы транспортных средств, трубопроводы для масла и бензина, радиаторы для тракторов и автомобилей и др.).

К упрочняемым сплавам относят, прежде всего, сплавы алюминия с медью и магнием системы Al-Cu-Mg, называемые дуралюминами: Д1, Д16, Д18, Д19 и др. (А1 + 3,8…4,8% Си; 1,2… 1,8% Mg; 0,3…0,9% Мп), и высокопрочные сплавы В95, В96 системы Al-Zn-Mg-Cu. Данные сплавы после термической обработки (закалки и последующего старения) приобретают высокие механические свойства (<�т_в = 400…600 МПА при S = 8… 18%). Они вполне удовлетворительно свариваются контактной, особенно точечной сваркой. Однако дуралюмины и высокопрочные сплавы, как правило, плохо свариваются дуговой сваркой. В этом случае под воздействием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется. Причем прочность сварного соединения в этой зоне может составить менее 40% прочности основного металла. Ее можно повысить, если возможно осуществить после сварки двойную термообработку (закалку и искусственное старение). Эффект одного естественного старения недостаточен для полного восстановления исходных свойств металла в этой зоне. Применяют эти сплавы в основном для высоконагруженных конструкций (детали обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов, каркасы строительных сооружений и др.).

В промышленности используют также и другие деформируемые термоупрочненные алюминиевые сплавы (например, жаропрочные сплавы типа АК4−1 системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni или сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости типа АД31, АДЗЗ системы Al-Mg-Si). Первые по химическому составу близки к дуралюминам, но вместо марганца в качестве легирующих элементов содержат железо и никель. Их используют для изготовления деталей реактивных двигателей, работающих при температурах 250…350 °С. Вторые применяют в авиастроении для отделки кабин самолетов и вертолетов, а также в судостроении и строительстве. Указанные типы сплавов удовлетворительно свариваются точечной и шовной сваркой.

Из сплавов второй группы — литейных — наибольшее распространение имеют литейные сплавы алюминия с кремнием — силумины типа АЛ2, АЛ4 и др. Обладают высокими литейными и механическими свойствами, коррозионной стойкостью во многих средах, хорошей свариваемостью. Однако редко применяются в сварных конструкциях. Сварку используют преимущественно как средство устранения дефектов литья.