Особенности сварки алюминия и его сплавов, применяемые материалы

 

Стыковое соединение металла разной толщины:

              а) допускаемое                                    б) рекомендуемое

 

          Для стыковых соединений ширину утоненной части более массивного элемента можно ориентировочно определить по формуле, где S1, S2 – толщины свариваемых соединений, l – длина утоненной части: 

 

 

 

 

            Не менее важны технологические меры уменьшения деформаций. Необходимо подобрать оптимальный режим сварки, с тем, чтобы зона термического влияния была минимальной. Для этого стремятся использовать методы сварки, обеспечивающие высокую концентрацию энергии в дуге, а соединения сваривают на повышенных скоростях. На деформацию соединения существенно влияет порядок выполнения швов. При выполнении швов большой протяженности целесообразно использовать обратно-ступенчатый способ сварки. Сварку конструкций, имеющих несколько последовательно расположенных швов, целесообразно начинать со среднего шва, а затем поочередно, с каждой стороны, выполнять остальные швы, двигаясь к краям конструкции. Также необходимо учитывать, что соединения со скосом кромок более склонны к деформации, чем без скоса кромок и соединения с симметричной двусторонней разделкой кромок менее склонны к деформациям, чем с односторонней разделкой кромок. Для предотвращения продольного прогиба соединений применяют предварительный обратный выгиб свариваемых элементов, который подбирают опытным путем.

           Для устранения остаточных деформаций применяют ударную и тепловую правку. Чтобы не повредить поверхность, алюминиевые соединения правят ударами резиновых и деревянных молотков. Правку стальными молотками можно выполнять только через алюминиевые или деревянные подкладки. Тепловую правку применяют для тех алюминиевых соединений, работоспособность которых не ухудшается сопровождающим нагрев разупрочнением, например, при правке малонагруженных элементов или конструкций из отожженного металла. Максимальная температура подогрева должна быть не выше температуры отжига для применяемого алюминиевого сплава.

         К числу технологических особенностей сварки алюминия необходимо отнести и предварительный подогрев. Он имеет важное значение в виду того, что окисная пленка на поверхности свариваемых алюминиевых металлоконструкций прекрасно адсорбирует влагу и необходимо применять меры по удалению этой влаги. Если этого не делать, то в сварном соединении могут возникнуть дефекты. Поэтому, свариваемые кромки перед сваркой подогревают, используя газовые горелки (восстановительное пламя), горячий воздух или электроконтактные нагреватели. Температура и время подогрева зависят от марки и толщины свариваемого металла. Температуру контролируют с помощью контактных термопар или термокарандашей.

 

Максимальная температура подогрева некоторых алюминиевых сплавов.

Сплав	Толщина металла, мм	Температура, 0С	Продолжительность нагрева, мин
А99, АД1	Любая	350	60
АМц	Любая	250	60
АМг3, АМг4, АМг5	< 12 > 12	100 150	30 10
АД31, АД33, АВ	< 12 > 12	180 200	60 30
1915	< 12 > 12	140 160	30 20

Материалы для сварки алюминия и его сплавов.

 

        Сварочная проволока. При дуговой сварке большинства соединений требуется проволока, металл которой заполняет зазоры, а также обеспечивает формирование шва в соответствии с размерами, установленными ГОСТ 14806-80. Кроме того, проволока позволяет изменять состав шва, что особенно важно при сварке различных алюминиевых сплавов. Требуемый для легирования состав проволоки выбирают с учетом химического состава свариваемых кромок и доли участия проволоки в образовании шва. Для дуговой сварки в инертных газах содержание каждого элемента в проволоке можно рассчитать из уравнения,  где СП – расчетное содержание элемента в проволоке; С0 – содержание элемента в свариваемом металле; СШ – содержание элемента в металле шва; kY – суммарный коэффициент усвоения элемента металлом шва при сварке; П – доля проволоки в металле шва.

 

 

 

        Доля проволоки в металле шва зависит от типа соединения, толщины свариваемых кромок, формы и размеров шва, зазоров. Под действием высоких температур часть легирующих элементов улетучивается с поверхности расплавленного металла сварочной ванны и электродной проволоки. Эти потери учитывает суммарный коэффициент усвоения элемента металлом шва, который учитывает, какое количество данного элемента перешло в шов. Величина потерь зависит от способа и режима сварки, физико-химических свойств элемента и его содержания в проволоке. Обычно коэффициент усвоения kY определяют экспериментальным путем, сравнивая фактическое содержание элемента в шва с расчетным.

         Определенный по уравнению состав проволоки чаще всего не совпадает с составом проволок, выпускаемых промышленностью. В связи с этим для сварки подбирают ту марку проволоки, у которой состав наиболее соответствует расчетному.

        С введением легирующих элементов прочность металла шва повышается, а пластичность и коррозионная стойкость снижаются. Для большинства алюминиевых сплавов суммарное содержание в шве или зоне сплавления 5-8% легирующих элементов достаточно, чтобы по границам зерен образовался сплошной ободок из вторичных фаз. При такой структуре дальнейшее легирование не только не увеличивает, а даже несколько снижает прочность в результате концентрации напряжений по малопластичным вторичным фазам. Таким образом, для получения пластичных коррозионно-стойких соединений алюминиевые сплавы целесообразно сваривать менее легированными проволоками. Когда требуются сварные соединения повышенной прочности, наоборот, применяют более легированные проволоки с суммарным содержанием легирующих элементов не выше 6 –7%.

       Наличие максимума трещинообразования при сварке алюминиевых сплавов в каждой системе легирования определяет выбор проволоки, способной обеспечить соединениям повышенную стойкость против трещин. Чтобы повысить стойкость соединений против образования горячих трещин, при сварке сплавов менее легированных, чем сплав с максимальным показателем трещинообразования, применяют проволоку с пониженным содержанием легирующих элементов, тогда как более легированные сплавы сваривают проволоками с более высоким содержанием легирующих элементов.

            В зависимости от предъявляемых к соединениям требований, для сварки каждого из алюминиевых сплавов обычно применяют несколько марок проволок. Наиболее простым подходом является применение универсальной проволоки, которая обеспечивает сварным соединениям достаточно высокие значения всех основных характеристик: стойкость против горячих трещин, прочность, пластичность и коррозионную стойкость. Остальные рекомендованные проволоки обеспечивают соединениям повышенные значения одной из названных характеристик при удовлетворительных значениях всех остальных.

 

Рекомендуемые марки проволок для сварки распространенных алюминиевых сплавов.

Свариваемый Металл	Универсальная проволока, обеспечивающая удовлетворит. характеристики соединения	Проволока, обеспечивающая удовлетворительные характеристики соединения и повышенные показатели
Стойкость против горячих трещин	Временное сопротивление разрыву	Относительное удлинение	Коррозион. стойкость
А99, А97, А95	А99	А99	СвА85Т	А99	А99
АД0,АД1	СвА5	СвА5	СвА5	СвА97	СвА97
Амц	СвАМц	СвАМц	СвАМц	СвАМц	СвАМц
АМг3	СвАМг3	СвАМг5	СвАМг5	АВч	АВч
АМг5	СвАМг5	СвАМг63	СвАМг6	СвАМг5	Св1557
АМг6	СвАМг6	СвАМг63	СвАМг61	СвАМг63	Св1557
АВ, АД31, АД33	СвАК5	СвАК5	Св1557	Св1557	АВч
1915	Св1557	СвАМг5	СвАМг6	СвАМг5	Св1557
Прим. Проволоку с обозначением «Св» поставляют по ГОСТ 7871-75, остальную по ТУ

 

Проволока может применяться в двух назначениях:

- как электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке в защитных газах (в шведском стандарте называется «Autrod»)

- как присадочный материал при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом (в шведском стандарте называется «Tigrod»). Применяют также импортную сварочную проволоку фирмы «ESAB» (Швеция).

 

Рекомендуемые марки проволок фирмы «ESAB» для сварки распространенных алюминиевых сплавов.

 

Свариваемый металл	Марка проволоки
Чистый алюминий А995	OK Autrod 18.01 (состав проволоки Al99,5)
Чистый алюминий A995	OK Autrod 18.11 (состав проволоки Al99,5Ti)
Силумин, с содержанием Si до 7%	OK Autrod 18.04 (состав проволоки AlSi5)
Сплав АМг3 (до 3%Mg)	OK Autrod 18.13 (состав проволоки AlMg3)
Сплав АМг5 (до 5%Mg)	OK Autrod 18.15 (состав проволоки AlMg5)
Сплавы АМг4, АМг5	OK Autrod 18.16 (состав проволоки AlMg4,5Mn)

 

Обзор наиболее распространенных способов сварки 

алюминия и его сплавов.

 

         Для алюминия и его сплавов применяют практически все промышленные способы сварки плавлением. К основным методам сварки относятся: ручная дуговая сварка покрытыми электродами (ММА), аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки (ТIG),плазменная сварка, полуавтоматическая сварка в защитном газе – бывает как минимум четырех разновидностей (импульсная полуавтоматическая сварка, традиционная полуавтоматическая сварка, полуавтоматическая сварка с управляемым массопереносом на инверторном источнике питания, полуавтоматическая сварка на источниках питания типа ВД-306ДК с комбинированной вольтамперной характеристикой). Другие виды сварки алюминия и его сплавов, такие как автоматическая сварка под слоем флюса и газовая сварка применяются значительно реже и рассматриваться не будут. Каждый способ сварки имеет свои особенности, которые необходимо учитывать для наиболее эффективного их использования при изготовлении изделий различного назначения.

 

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами 

алюминия и его сплавов.

          Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применяют при изготовлении конструкций из технического алюминия, сплавов АМц и АМг, содержащих до 5 % магния, а также силумина. Толщина свариваемого металла лимитируется диаметром электрода. Минимальный диаметр электрода обычно составляет 4 мм, что вызвано трудностями сварки электродами малого сечения вследствие высокой скорости их плавления. Алюминиевый электрод расплавляется в 2-3 раза быстрее стального. В связи с этим толщина свариваемого металла должна быть свыше 4 мм.

           Наиболее приемлемым типом сварного соединения для алюминия является стыковое. Соединений внахлестку и тавровых избегают, так как возможно затекание шлака в зазоры, из которых его трудно удалить при промывке после сварки. Наличие шлака в зазоре может вызвать коррозию металла. Поэтому, этот метод сварки алюминия наиболее редко применяется в промышленности. Отличие от ручной дуговой сварки стальных металлоконструкций заключается в том, что алюминий имеет значительно более высокую теплопроводность, чем сталь. Это приводит к тому, что шлак при ручной дуговой сварке не успевает, в ряде случаев, удаляться из расплавленного металла сварного соединения ввиду малого времени нахождения сварочной ванны в расплавленном состоянии и остается в соединении в виде дефектов.

       Защитные (инертные) газы. Для защиты расплавленного металла сварочной ванны и проволоки при сварке алюминия и его сплавов применяются инертные газы и их смеси: аргон высшего или первого сорта по ГОСТ 10157 –79 и гелий особой или высокой чистоты по ГОСТ20461-75. Инертные газы аргон и гелий поставляются в баллонах.

       Вольфрамовые электроды. Вольфрам – самый тугоплавкий из известных металлов (по температуре плавления он уступает только углероду). Температура плавления вольфрама равна 36000С, удельный вес 19,3 г/см3, он обладает весьма малой летучестью при высоких температурах и имеет низкий коэффициент теплопроводности. Вольфрамовые электроды изготавливаются по ГОСТ 23949-80. Они различаются по легированию, которое уменьшает работу выхода электронов и соответственно срок службы электродов. Электроды бывают чистые (ЭВЧ), лантанированные (ЭВЛ), иттрированные (ЭВИ), торированные (ЭВТ).

 

Характеристики наиболее распространенных электродов:

 

Марка электрода	Содержание примесей, мас. %	Диаметр прутка или проволоки, мм
ЭВЧ	0,5;	1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0
ЭВЛ	(1,1-1,4) окиси лантана (LaO)	1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0
ЭВИ-1	(1,5-2,3) окиси иттрия (Y2O3)	2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0
ЭВИ-2	(2,0-3,0) окиси иттрия (Y2O3)	2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0
ЭВИ-3	(2,5-3,5) окиси иттрия (Y2O3)	2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0
ЭВТ-15	(1,5-2,0) двуокиси тория(ThO2)	2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0