Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением

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 (табл. 1.2.).  

Таблица 1.2.  

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), (табл.1.3).  

Таблица 1.3  

Рекомендуемые марки проволок фирмы «ESAB» для сварки распространенных алюминиевых сплавов [4].

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) 

 

2. 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.  

2.1 . 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 (см. п.1). 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 в табл. 1.5.  

Таблица 1.5  

Характеристики наиболее распространенных электродов [8]

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 

 

Электроды, применяемые при  аргонодуговой сварке необходимо затачивать. Это повышает стабильность работы аргонодуговой  установки и качество сварного соединения.  

Покрытые электроды. Для сварки алюминия и его сплавов применяют следующие наиболее распространенные марки покрытых электродов, производства России и других стран [4,5]:   

Электрод Свариваемый  сплав  

ОЗА 1 Технический алюминий  

ОК 96.10 («ESAB») Технический  алюминий  

ОЗА2 Литой сплав типа АЛ-4  

ОК 95.50 («ESAB») Литой сплав  типа АЛ-4  

МВТУ Сплавы типа АМц  

АФ1 Сплавы типа АМг, АМц  

ОК 96.20 («ESAB») Сплавы типа АМг, АМц  

А1Ф Сплавы типа АМц, силумин   

Состав электродных покрытий для сварки алюминия и его сплавов  для некоторых из перечисленных  марок электродов приведен в табл. 1.6.  

Таблица 1.6  

Состав некоторых электродных  покрытий для сварки  алюминия и его сплавов, мас. % [5]

Компонент

Марки покрытия

ОЗА1

ОЗА 2

МВТУ

АФ1

А1Ф

Хлористый натрий

18,2

30

 

18,0

Хлористый калий

32,5

50

20,0

 

32,0

Хлористый литий

9,1

 

24,0

 

9,0

Фтористый калий

 

39,0

 

Криолит

35,0 20

 

35,0 33,0

 

Фтористый натрий

5,2

 

17,0

 

5,0

Ферросилиций

 
 

3,0

Флюс АФ-4А

 

65,0

 

 

 

С течением времени при  хранении электроды увлажняются, поэтому  перед сваркой их необходимо подсушить  при температуре 150 – 200 0С.  

Сварочные флюсы. Для полуавтоматической сварки под слоем флюса применяют флюсы АН-А1, АН-А4, 48-АФ-1, МАТИ-1а, МАТИ-10.Состав флюсов в табл. 1.7.  

Таблица 1.7  

Состав флюсов для сварки алюминия и его сплавов, мас.% [5]

Компонент

Марка флюса

АН-А1

АН-А4

48-АФ-1

МАТИ-1а

МАТИ-10

Хлористый натрий 20,0

 
 
 

Хлористый калий

50,0

57,0

47,0

47,0

30,0

Хлористый литий

 

8,0

 

Фтористый барий

 

28,0 47,0

 

68,0

Фтористый натрий

 

42,0

 

Фтористый калий

 

2,0

 

Фтористый литий

 

7,5

 

Фтористый алюминий

 

7,5

 

2,0

Криолит

30

 

3,0

 

Фторцирконат калия

 

2,0

 

Окись хрома

 

2,0

 
 

 

Флюс должен храниться  в герметически закрываемой таре, а перед употреблением просушиваться  при температуре 200 – 250 0С в течении 2 часов.  

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 (см. п.1). 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.  

2.2. Аргонодуговая  сварка неплавящимся вольфрамовым  электродом с подачей присадочной  проволоки (ТIG).

Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей  присадочной проволоки (ТИГ) наиболее распространенный способ сварки, применяющийся  для изготовления сварных конструкций  из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Основным преимуществом  процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного  газа является отсутствие шлаковых включений, возможность работы на малых токах  дуги (от 5А), возможность сварки тонких листов, включая фольгу, высокая  устойчивость горения дуги во всем диапазоне токов, технологичность  процесса. Благодаря этому процесс  широко используется при сварке алюминия и его сплавов.

 

2.2.1. Сварка вольфрамовым  электродом переменным

симметричным током.

Питание дуги осуществляется переменным током от источников с  падающими внешними характеристиками. Существует справедливое мнение, что  аргонодуговую сварку необходимо производить  на штыковых или крутопадающих внешних  вольт-амперных характеристиках. Это  обусловлено тем, что в указанном  случае минимален пусковой бросок тока, что резко улучшает свойства сварного соединения. Переменный ток дуги при  сварке алюминия обеспечивает разрушение окисной пленки. Для повышения  стабильности горения электрической  дуги и эффективного разрушения окисной  пленки, кроме падающей внешней характеристики источника и постоянной работы осциллятора  используют дополнительную индуктивность (дроссель) в цепи дуги (обеспечивает дополнительную ЭДС самоиндукции и  не позволяет погаснуть электрической  дуге). Осцилляторы выполняют две  функции – бесконтактное зажигание  электрической дуги и стабилизацию сварочного тока в момент прохождения  через ноль специальными стабилизаторами, синхронизированными со сварочным  током и включенными, как правило, параллельно электрической дуге. Последние устройства обычно совмещают  с осцилляторами. Электрическая  дуга горит между изделием и неплавящимся вольфрамовым электродом. Для повышения  стабильности горения электрической  дуги рекомендуется тщательно затачивать конец вольфрамового электрода. Симметричность тока обеспечивает равную проплавляющую и очищающую способность  электрической дуги. Это самый  простой и распространенный способ аргонодуговой сварки.

 

2.2.2. Сварка вольфрамовым  электродом переменным

асимметричным током.

По сравнению с аргонодуговой  сваркой неплавящимся электродом симметричным током, сварка асимметричным током  алюминиевых сплавов расширяет  технологические возможности за счет регулирования параметров тока прямой и обратной полярности. Как  правило, регулировка асимметричности  осуществляется в пределах 30% от амплитудного значения параметра. Преобладание составляющей тока прямой полярности приводит к  увеличению глубины проплавления и  скорости сварки, а также к повышению  стойкости вольфрамового электрода. Преобладание тока обратной полярности улучшает очистку свариваемого металла  от окисной пленки и улучшает качество формирования шва. Выбор правильного  режима сварки в этом случае является задачей технолога.     
 Для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся вольфрамовым электродом переменным асимметричным током используются установки УДГУ-351АС/DC и УДГУ-501AC/DC.