Сварка алюминия и его сплавов

Категория:
Сварка различных металлов


Сварка алюминия и его сплавов

Алюминий обладает низкой прочностью; поэтому его не применяют для конструкций, работающих под динамической нагрузкой. Его употребляют в химическом аппарато-строении, рамных конструкциях, для оконных и дверных переплетов и декоративных изделий в строительстве. Он обладает малой массой (плотность 2,7 г/см3), повышенной коррозионной стойкостью и большой пластичностью по сравнению с низкоуглеродистой сталью.

Повышенную прочность имеют сплавы алюминия с марганцем, магнием, кремнием, цинком и медью.

Алюминий и его сплавы делят на литейные и деформируемые (катаные, прессованные, кованые). Деформируемые сплавы подразделяют на термически не упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, и термически упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком, кремнием.

Наиболее высокой прочностью обладают термически упрочняем мые алюминиевые сплавы. Например, механические свойства дюр алюминия Д16 (3,8—4,9% меди, 1,2—1,8% магния, 0,3—0,9% мар ганца, остальное — алюминий) следующие: до термической обра-ботки — 6В = 22 кгс/мм2 и 6б = 2%; после термической обработки ств=42 кгс/мм2 и 65=18%. Наибольшей прочностью из термиче ски упрочняемых алюминиевых сплавов обладает сплав В95 (ав = 60 кгс/мм2, огт = 55 кгс/мм2 и 65 — около 12%), сплав по, строен на основе алюминий — медь — магний — цинк.

Однако термически упрочненные алюминиевые сплавы разуп рочняются при сварке со значительной потерей механических свойств. Применение этих сплавов для сварных конструкций воз» можно лишь при условии обеспечения термической обработки после сварки для повышения прочности сварных соединений.

Из термически неупрочняемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы системы А1 — Mg — Ti, например сплав АМгб, механические свойства которого следующие: сгв = 32—38 кгс/мм2, стт = 1 б— 18 кгс/мм2, бБ= 15—20% и ак=3—4 кгс-м/см2. Конструкции из алюминиево-магниевого сплава АМгб изготовляются в основном сварными.

Свариваемость алюминия и его сплавов. Алюминий и его сплавы имеют большую теплопроводность, теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Теплопроводность алюминия в три раза выше теплопроводности низкоуглеродистой стали; при нагреве от 20 до 600° С разница в теплопроводности еще более возрастает. Следовательно, сварка алюминия и его сплавов должна выполняться с относительно мощным и концентрированным источником нагрева.

Коэффициент линейного расширения алюминия в два раза выше, чем коэффициент расширения железа. Это способствует увеличенным деформациям и короблению при сварке алюминиевых изделий.

Низкая удельная плотность (2,7 г/см3) и температура плавления (660° С) алюминия по сравнению с высокой удельной плотностью окисла алюминия А120э (3,85 г/см3) и его температурой плавления (2060° С) затрудняют процесс сварки. Тугоплавкий и тяжелый окисел AI2O3 может оставаться в металле шва и снижать работоспособность сварного соединения. При сварке алюминия и его сплавов необходимо применять различные способы борьбы с окислом А1203. Во всех случаях поверхность металла изделия должна зачищаться непосредственно перед сваркой и процесс сварки должен протекать с защитой расплавленного металла от действия газов воздуха.

Используют три способа борьбы с окислом алюминия: сварка с растворителем окислов (электродные покрытия, флюсы), сварка без растворителей, но с так называемым катодным распылением, и сварка с механическим удалением окислов из сварочной ванны.

Растворителями окисла А1203 и других окислов являются галоидные соли щелочноземельных металлов (хлористый, фтористый литий и др.), которые растворяют окислы и вместе с ними подни-1аЮтся из сварочной ванны в сварочный шлак. Так как раствор обладает пониженной температурой плавления, меньшей удельной плотностью и меньшей вязкостью, чем каждый компонент в отдельности, то он выводится из металла шва в сварочный шлак.

Сущность катодного распыления состоит в том, что при дуговой сварке в аргоне на постоянном токе при обратной полярности происходит дробление окисной пленки А1203 с последующим распылением частиц окисла на поверхности сварного изделия. Тонкая окисная пленка, покрывающая сварочную ванну, разрушается под ударами тяжелых положительных ионов защитного газа аргона, образующихся при горении дуги. Так как положительный ион обладает большей массой, чем электрон, то образующийся поток ионов способен дробить окнсные пленки алюминия и магния, которые создаются при сварке. При этом надо учитывать большую скорость движения ионов, позволяющую распыленным окислам через защитную газовую среду выходить из сварочной зоны.

Другие газы, обладающие низкой атомной массой (например, 4 у гелия вместо 40 у аргона), не способны дробить и распылять окислы.

Механический способ удаления окисла А1203 из сварочной ванны заключается в том, что сварщик опускает в сварочную ванну стальной пруток диаметром 3—4 мм и вынимает его с прилипшим к поверхности прутка окислом, который легко отделяется от прутка при его встряхивании и легком ударе. Опытные рабочие, выполняющие газовую или дуговую сварку угольным электродом, часто используют этот способ, не прибегая к флюсам.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной склонностью к образованию пор. Пористость металла при сварке алюминия и его сплавов вызывается водородом, источником которого служит адсорбированная влага на поверхности основного металла и особенно проволоки, а также воздух, подсасываемый в сварочную ванну. В этом случае алюминий в сварочной ванне взаимодействует с влагой по реакции 2А1+ЗН20->-А120з+6Н.

Для получения беспористых швов при сварке алюминия и его сплавов даже небольшой толщины иногда требуется подогрев, снижающий скорость охлаждения сварочной ванны и способствующий более полному удалению водорода из металла при медленном охлаждении. Так, например, при наплавке на лист алюминия толщиной 8 мм беспористый шов может получить при подогреве металла до 150 °С. При увеличении толщины металла до 16 мм даже подогрев до температуры 300 °С не обеспечивает беспористых швов.

Однако подогрев листов для сварки некоторых сплавов следует применять осторожно. Например, при сварке толстолистовых алю-миниево-магниевых сплавов допускается подогрев до температуры не выше 100—150 °С. Более высокая температура подогрева может усилить пористость шва за счет выделения из твердого раствора магния и образования при этом водорода по реакции Mg + H20-vMg0 + 2H. Кроме того, при сварке подогретого металла

Флюс АФ-4а разводят дистиллированной водой и наносят на свариваемые кромки и присадочный пруток.

При газовой сварке применяют присадочную проволоку той же марки, что и свариваемый металл.

Для получения и сохранения мелкозернистой структуры изделие после сварки в некоторых случаях, например при сварке литых деталей, подвергают отжигу при 300—350 °С с последующим медленным охлаждением.

—-

Алюминий обладает малой плотностью, хорошей тепло- и электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. В технике алюминий применяют в виде алюминия разной степени чистоты и в виде сплавов.

В зависимости от содержания примесей (Fe, Si, Си, Zn, Ti) алюминий бывает особой чистоты А999 (0,001 % примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005—0,5% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15—1,0% примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), используют в сварных конструкциях, маркируется АД0 и АД1.

Из-за низкой прочности (сгв=804-110 МПа) алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность, коррозионная стойкость (рамы, двери, трубопроводы, емкости, фольга и др.). Для нагруженных изделий используют сплавы алюминия. В качестве основных легирующих элементов алюминиевых сплавов применяют Си, Mg, Si, Mn, Zn, реже — Li, Ni, Ti, Be, Zr.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления, способности к термической обработке и свойствам. В зависимости от технологии изготовления различают деформируемые (для полуфабрикатов и изделий обработкой давлением), литейные (для отливок) и спеченные сплавы. По способности к термической обработке они разделяются на термические неупрочняемые и термические упрочняемые.

К литейным сплавам относятся сплавы системы А1—Mg, А1— Si, А1—Си. Наиболее распространенными литейными сплавами с повышенным содержанием кремния (от 4 до 13%) являются силумины. Сварку литейных сплавов выполняют при ремонтных работах.

Материалы из спеченной алюминиевой пудры (САП) и спеченных алюминиевых сплавов (САС) состоят из порошков алюминия или его сплавов и окиси алюминия. Получают САП и САС последовательным брикетированием, спеканием и прессованием окисленной с поверхности алюминиевой пудры. Эти материалы свариваются очень плохо.

Сварные конструкции изготовляют из деформируемых алюминиевых сплавов. К деформируемым сплавам, не упрочняемым термообработкой, относятся алюминиевомарганцевый сплав АМц(А1+ 1,3%Мп) и группа сплавов системы А1—Mg (магналий): АМг, AMr1, АМг2, АМгЗ, АМг5В, АМг6. Эти сплавы обладают хорошей свариваемостью, в сварных соединениях они способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и высокой коррозионной стойкости.

К деформируемым термическим упрочняемым сплавам относятся сплавы систем: А1 — Си — Mg — Mn (дуралюмины), А1 — Mg — Si и А1 — Си — Mg — Si (авиали) и др.

Большинство термически упрочняемых алюминиевых сплавов обладают ограниченной свариваемостью.

Основные трудности при сварке алюминия и его сплавов:

1. Сильная окисляемость при высоких температурах с образованием тугоплавкой (ТПЛ=2200°С) окисной пленки А1203, имеющей большую плотность по сравнению^ алюминием (р=3,85 г/см3). Окисная пленка затрудняет сплавление, способствует непроварам и охрупчивает металл. Поэтому окисную пленку удаляют со свариваемых кромок механическими и химическими способами перед сваркой, во время сварки защищают зону сварки инертным газом, катодным распылением, применяют покрытия и флюсы на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов (NaCl, NaF, КС1 и др.).

2. Склонность к образованию горячих трещин в связи с большой литейной усадкой кристаллизующегося металла, грубой столбчатой структурой сварного шва и наличием примесей. Для борьбы с горячими трещинами ограничивают содержание примесей в свариваемом металле, для измельчения структуры добавляют в металл и сварочную .проволоку модификаторы (Zr, Ti, В), регулируют режимы сварки.

3. Термически упрочняемые сплавы весьма чувствительны к термическому циклу сварки в связи с ростом зерна, распадом перенасыщенных твердых растворов, процессами старения, рекристаллизацией.

4. Для ряда сплавов, особенно содержащих в качестве основного легирующего элемента магний, характерна повышенная пористость при сварке, связанная с насыщением расплавленного металла водородом. Для уменьшения пористости рекомендуется тщательная подготовка свариваемых кромок и проволоки перед сваркой для удаления следов влаги с их поверхности; тщательная защита сварочной ванны, увеличение диаметра присадочной проволоки, чтобы уменьшить удельную поверхность присадки; предварительный подогрев, чтобы увеличить время существования сварочной ванны и чтобы пузырьки водорода успели выйти из ванны.

5. Высокие теплопроводность и теплоемкость алюминия требуют применения мощных источников тепла, а в ряде случаев подогрева. Высокий коэффициент линейного расширения и малый модуль упругости способствуют появлению значительных сварочных деформаций, что требует применения надежных зажимных приспособлений и устранения деформаций после сварки в ответственных конструкциях. В алюминии отсутствует пластическое состояние при нагреве и переходе из твердого в жидкое состояние, при этом алюминий не меняет своего цвета, а в области температур более 400—450 °С имеется провал прочности и пластичности, поэтому рекомендуется сварка на подкладках.

Высокий коэффициент вязкости и быстрый теплоотвод затрудняют формирование шва, поэтому требуется соблюдение необходимых разделок кромок. Все перечисленные трудности и особенности свар-; ки алюминия требуют тщательной подготовки под сварку и тщательное соблюдение технологии сварки.

Способы сварки алюминия и его сплавов. Основными способами сварки алюминия и его термонеупрочняемых сплавов являются сварка в инертных газах, по флюсу и под флюсом, ручная покрытыми электродами, контактная. Используют также газовую сварку, электрошлаковую сварку угольным электродом. Для термически упрочняемых сплавов применяют преимущественно механизированные способы сварки в инертных газах, электронно-лучевую, плаз-менно-дуговую.

Для тонколистового металла целесообразна сварка в импульсном режиме. Для толстолистового металла (6>10 мм) хорошие результаты дает трехфазная сварка неплавящимся электродом. Сварку плавящимся электродом в инертных газах выполняют при толщинах более 4 мм на постоянном токе обратной полярности /св = (120-г-160)da, где da — диаметр сварочной проволоки. Недостатком сварки плавящимся электродом является повышенная пористость.

Газовую сварку выполняют нормальным пламенем с использованием защитного флюса в виде порошка или пасты, наносимого на свариваемые кромки и присадочной проволоки типа АФ-4А (КО— 50%, LiCl — 14%, NaCl—28%. NaF—8%), с подогревом металла при сварке больших толщин. Ориентировочную мощность сварочного пламени выбирают из расчета расхода ацетилена 75 дм3/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

При использовании флюсовой защиты применяют следующие способы электрической сварки плавлением: дуговую автоматическую по флюсу и под флюсом и электрошлаковую. При сварке по слою флюса используют флюсы на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов (например, АН-А1 системы Na3AlF3—КС1—NaCl), которые обладают высокой электропроводностью, поэтому погруженная дуга закорачивается и горит по слою флюса. Дополнительным параметром режима при сварке по слою флюса является высота насыпного слоя флюса перед дугой. Добавление во флюсы для сварки алюминия компонентов, уменьшающих электропроводность флюса, позволило разработать способ сварки под слоем флюса. В качестве такого компонента во флюс ЖА-64 введен кремнезем SiOa (система Na3AlF3—КС1—NaCl—Si02).

Контактную точечную и шовную сварку применяют для соединения листов и профильного проката преимущественно из деформируемых сплавов. Контактную стыковую сварку выполняют преимущественно методом оплавления. Тацгкак алюминий и его сплавы отличаются высокой тепло- и электропроводностью, то необходимо при электроконтактной сварке, особенно точечной, применение больших токов и мощных машин, для повышения эффективности нагрева целесообразно сваривать при малой длительности импульсов тока.

Пластичные сплавы алюминия хорошо свариваются другими видами сварки термомеханического и механического классов.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум