8.3.3 Сварка цветных металлов и сплавов

8.3.3.1 Алюминиевые сплавы.

Удельный вес чистого алюминия  =2,7 г/см ³, теплопроводность его в 2 раза выше, чем стали. температура плавления t_ПЛ= 657 ºС. При нагревании легко окисляется, образуя окисную пленку с t_ПЛ= 2060ºС, что является основным препятствием при сварке алюминиевых сплавов. Свариваемость конкретных алюминиевых сплавов указана в разделе 3.

Сварку выполняют в среде инертного газа неплавяшимся вольфрамовым электродом на переменном токе, при этом, когда минус на детали, разрушается окисная пленказа счет интенсивного катодного распыления (бомбардировки катода тяжелыми положительными ионами инертного газа)и нагревается вольфрам, когда минус на электроде – интенсивно охлаждается вольфрам.

Трудности сварки алюминиевых сплавов.

1Наличие тугоплавкой окисной пленкиAl₂O₃cплотностью и t_ПЛ= 2060ºС выше, чем у алюминия. Пленка, как указывалось выше, затрудняет сплавление кромок и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки. Ее удаляют, сначала размягчая в травильных растворах, затем очищают механическим путем (шабрением). Новую окисную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо, применяя флюсы (хлористые соли). Очищение от окисной пленки протекает по реакции:

Al₂O_{3 +} 6KCl= 2AlCl₃ + 3K₂O

Летучий AlCl₃ удаляется в атмосферу, аK₂Oоседает в шлаке. После сварки по флюсу необходимо удалить остатки флюса.

2Резкое падение прочности при высоких температурах, что может привести к проваливанию нерасплавившихся частичек кромок под действием веса сварочной ванны с образованием прожога. С целью предотвращения этого применяют формирующие подкладки из нержавеющей стали (см. рис 50). Рекомендуемые размеры канавки указаны в таблице 9.

а

а

R

b

а)

б)

Рис. 50.

Таблица 9

Вид канавки	Толщина металла, мм	Размеры канавки, мм
		а	b	h	R
а	2…3	7	-	1,5	-
	4…6	9	-	2	-
б	2…3	7	2	3	2,5
	4…6	8	2	3	3

Конструкция подкладки типа б, кроме функции формирования обратной стороны шва, несет функцию разрушения окисной пленки, т.к. жидкий металл с окисными пленками стекает в узкую канавку, образуя «лишний проплав», который затем после застывания сварочной ванны удаляется слесарным путем. Обратная сторона шва при этом получается чистой, без окисных плен и несплавлений. Такая конструкция подкладки предпочтительнее, чема.

Именно из-за окисных плен не рекомендуется при сварке алюминиевых сплавов замковое соединение обычной конфигурации, так как при этом неизбежен непровар в корне шва, надо замок выполнять с канавкой, куда будут стекать окисные плены (см. рис. 51).

ТехнологичноНетехнологично

Рис. 51.

Для получения герметичных соединений в тонкостенных конструкциях рекомендуется применять флюсы ФА-1Т или ФА-2Т, представляющие собой раствор фтористых солей кальция, лития, магния и других солей в спирте. Наносится флюс только на нижние кромки, так как их компоненты нарушают процесс горения дуги. Флюс разрушает окисную пленку, гарантируя получение качественного провара.

3В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости алюминиевые сплавы имеют повышенную склонность к короблению. С целью предотвращения этого применяется жесткое закрепление листов с помощью механических или пневмоприжимов. Приспособления для сварки алюминиевых сплавов следует изготавливать из металла с низкой теплопроводностью (из нержавеющей стали) во избежание приваривания проплава к подкладке.

4Расплавленные алюминиевые сплавы обладают повышенной растворимостью газов, особенно водорода, которые при застывании сварочной ванны задерживаются в ней, не успевая всплыть, что приводит к интенсивной пористости сварного шва, а, следовательно, к потере герметичности, снижению пластичности и прочности.

Основной причиной возникновения пористости является водород, выделяющийся при разложении воды при высокой температуре: 3Н₂О + 2Al=Al₂O₃+ 6H. Так как растворимость водорода в жидкой ванне значительно выше, чем в твердом сплаве, весь водород не успевает всплыть на поверхность. Выделению водорода препятствует так же окисная пленка на поверхности сварочной ванны. Чтобы предотвратить появление пористости, применяют предварительный и сопутствующий подогрев, замедляющие кристаллизацию сварочной ванны.

С этой же целью очень тщательно очищают проволоку и свариваемые кромки деталей, удаляя окисную пленку. Удаление окисной пленки проводят в два этапа: сначала травят их в растворе щелочи, при этом пленка разрыхляется и легко удаляется механическим путем (шабрением) на 2-ом этапе.

5Алюминий имеет высокую теплопроводность, поэтому сварка его требует применения мощных источников тепла, иногда применяют подогрев, особенно при сварке жестких конструкций или применяют 3-х фазные источники питания, создающие 3-х фазную дугу – совокупность 2-х зависимых, горящих между каждым из 2-х вольфрамовых электродов, и одной независимой между 2-мя электродами.

6В связи с грубой столбчатой структурой металл шва склонен к выпадению легкоплавкой эвтектики по границам зерен (- фазы) и возникновению трещин.

Особенно склонны к трещинообразованию термоупрочняемые сплавы, например, Д16, Д20 (системы Al–Cu–Mg).

Считающийся нетермоупрочняемым сплав АМГ6 (системы Al–Mg) нельзя рассматривать как нечувствительный к тепловым воздействиям. На него вводятся ограничения по количеству подварок, количеству слоев. Как правило, после сварки необходим отжиг для снятия напряжений и улучшения структуры, который проводится при температуре 315…335С с выдержкой в зависимости от максимальной толщины изделия.

В качестве присадки выбирают сварочную проволоку аналогичного с основным металлом хим. состава. Для заварки дефектов литья из сплавов АЛ9, АЛ19 нужно применять литейные прутки из того же сплава или проволоку АК5, обладающую высокой жидкотекучестью.

Реже применяется механизированная сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности, при этом с целью удаления окисной пленки применяют флюсы АН-А1, АН-А4, сварку ведут не под слоем флюса, а по флюсу, т.е. флюс не подается сверху из флюсоподающего механизма, так как при этом нарушалась бы стабильность горения дуги, флюс насыпается заранее впереди стыка свариваемых деталей.

Для механизированной и автоматической сварки проволока должна быть обязательно нагартована во избежание ее заминания в подающем механизме.

Другие методы сварки алюминиевых сплавов

Иногда применяют газовую сварку алюминиеых сплавов, обязательно с применением флюсов, разрушающих окисную пленку (хлористые соли натрия, калия). Тут надо правильно выбрать мощность пламени, т.к. тугоплавкая окись алюминия закрывает сварочную ванну и мешает заметить начало расплавления металла. Сварку чистого алюминия можно выполнять электродами ОЗА-1, но при этом швы грубые, т.к. покрытие плохо сцеплено со стержнем и увлажняется при хранении. Такую сварку применяют только в авторемонтных мастерских при отсутствии другого оборудования.

Для тонкостенных деталей в последнее время широко применяется плазменная и микроплазменная сварка неплавящимся электродом алюминия толщиной 1мм и менее. Устойчивое горение дуги на малых токах (менее10А) достигается при этом усиленным охлаждением плазмы и применением специальных сопел, ограничивающих диаметр столба дуги

Сварку алюминиевых сплавов можно выполнять и плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности в среде аргона, но при этом в связи с активным капельным переносом металла через дугу труднее обеспечить надежную защиту сварочной ванны от попадания воздуха. Для ликвидации этого недостатка применяют импульсы тока, что сокращает время пребывания капли на торце электрода и повышает устойчивость горения дуги на малых токах.

Самые лучшие результаты дает сварка алюминиевых сплавов на ЭЛУ, особенно сплавов повышенной прочности, так как высокая чистота рабочей среды (сварка выполняется в вакууме порядка 110^-4 мм рт.ст.), малое тепловложение за счет малого диаметра луча и высокая скорость процесса, - все это очень благоприятные условия для сварки алюминиевых сплавов. Сварка на ЭЛУ обеспечивает минимальные коробление и усадку, кроме того, сварку можно выполнять на весу, без подкладки, благодаря малому объему сварочной ванны.