Лекция № 12 Технология сварки алюминия и его сплавов – 2 часа

1. Характеристика алюминиевых сплавов.

2. Особенности сварки.

3. Способы сварки.

1. Характеристика алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы: литейные (АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.) и деформируемые. В сварных конструкциях используют в основном деформируемые сплавы (литейные сплавы при ремонте изделий сваривают неплавящимся электродом и с присадочной проволокой того же химического состава, что и изделие).

Деформируемые алюминиевые сплавы:

– упрочняемые термической обработкой (дуралюмины (Al-Cu-Mg): Д20, ВАД1 и др., авиали (Al-Mg-Si) АД31, АД33 и др., и другие сплавы, например, 1201, 1915, 1420, М40). Термообработка  закалка + старение (например, дуралюмины – естественное 5-7 суток, искусственное, 190^оС, 10 ч);

– не упрочняемые термической обработкой (технически чистый алюминий: АД, АД 1, сплавы: AMц, AMг, AMг3, AMг6, AMг5B, и др.).

2. Особенности сварки

Алюминий при сварке взаимодействует с газами атмосферы. Окисляясь, он дает оксидную пленку с Т_пл = 2050^оС. Оксид AI₂O₃ очень прочный и химическим путем не восстанавливается, полупроводник  затруднена сварка постоянным током обратной полярности. Оксидная пленка адсорбирует пары воды, т. е. является источником водорода при сварке.

Оксидную пленку с поверхности сварочной ванны при сварке необходимо удалять. Это достигается с помощью:

1. Применение флюсов из хлористых солей, щелочных и щелочноземельных элементов. Флюсы в основном смывают AI₂O₃ c поверхности ванны. Смывание происходит следующим образом. При сварке из-за неравномерного нагрева пленка AI₂O₃ дает микротрещины, в которые затекает флюс. Реагируя с алюминием, он дает соединение AlCl₃, который имеет температуру возгонки Т_в = 183^о С. В ходе возгонки AlCl₃ поток пара отрывает кусочки оксидной пленки, уносимые затем потоком флюса.

2. За счет катодного распыления. Этот процесс протекает при сварке на переменном токе в среде аргона. Оксидная пленка разрушается (когда на пленке катодное пятно) при бомбардировке ионами поверхности катода (процесс сварки устойчив при использовании осциллятора).

3. При сварке на постоянном токе прямой полярности при наличии интенсивного теплового потока, т.е. при сварке в среде гелия.

Водород, растворяясь в алюминии, дает поры. Водород поступает, в основном по реакции: 2Al + 3H₂ O  Al₂ O₃ + 6H.

При этом вода попадает в зону сварки со сварочными материалами, а также с основным металлом. Вода содержится в оксидной пленке (старая толстая пленка, рыхлая и хорошо адсорбирует воду). Перед сваркой оксидную пленку с основного металла и сварочной проволоки необходимо удалить. Для этого используют:

– травление в растворе щелочи с последующим осветвлением в растворе азотной кислоты, потом промывка и сушка;

– травление в ортофосфорной кислоте Н₃РО₄  промывка  сушка;

– зачистка металлической щеткой (чаще для основного металла);

– электрополирование (используют чаще для проволоки).

Самые хорошие результаты: механическая зачистка основного металла + электрополирование сварочной проволоки. После такой обработки пролеживание деталей перед сваркой не более 3-8 ч. После химического травление пролеживание  120-200 ч.

Добавка магния увеличивает коэффициент диффузии водорода, что способствует образованию пузырьков водорода в шве, минуя стадию его растворения в металле. Для обеспечения условий всплывания пузырьков на поверхность используют сварку на жестких режимах (сварочная ванна – большая, т. е. горячая).

Характер кристаллической структуры металла шва зависит от способа сварки, используемого присадочного материала и режима сварки.

Чистый алюминий склонен к образованию грубой крупнокристаллической структуры. В сплавах образование крупных кристаллов (зерен) ведет к дендридной ликвации и образованию легкоплавких эвтектик, что вызывает ГТ. Для измельчения структуры применяют модифицирование (цирконий, титан, бор) и электромагнитное перемешивание сварочной ванны. При сварке сплавов типа АМг желательно не использовать сварочные проволоки с кремнием, так как наличие кремния приводит к появлению иглообразных выделений соединений Мg₂Si, что резко снижает пластичность сварного шва. Кроме того, пластичность металла шва уменьшается в случае малых добавок натрия (Na попадает через флюс или обмазку).

В зоне термического влияния не упрочняемых термической обработкой сплавов происходит рост зерна и снятия наклепа (разупрочнение). В сплавах типа АМг возможно выпучивание металла и повышения пористость в участках ЗТВ, примыкающих к шву (при повышенном содержании водорода в основном металле).

При сварке термически упрочняемых алюминиевых сплавов в ЗТВ перераспределяется упрочнитель (дисперсные частицы), что вызывает появление зон пониженной твердости. Кроме того, подплавление зерен основного металла может привести к ГТ.

Для обеспечения равнопрочности сварного шва и основного металла при сварке алюминиевых сплавов в нагартованном или термически обработанном состоянии целесообразно использовать утолщение кромок в месте сварки (за счет механической обработки), а также обработку сварного шва давлением. Кроме того, для термически упрочняемых сплавов: закалка + старение  некоторое увеличение предела выносливости.