Вопрос 33

Сварка алюминия - процесс сложный и требующий от специалиста высокой квалификации. В первую очередь это связано с химическими особенностями алюминия.

При нагреве алюминия и его соприкосновении с кислородом воздуха, на поверхности образуется пленка окисла, которая препятствует работе с ним с использованием обычной электродуговой сварки. Для предотвращения взаимодействия нагретого алюминия с содержащимся в воздухе кислородом применяют один из инертных газов, а именно аргон.

При подготовке деталей из алюминиевых сплавов под сварку профилируют свариваемые кромки, удаляют поверхностные загрязнения и окислы. Обезжиривание и удаление поверхностных загрязнений осуществляют с помощью органических растворителей или обработкой в специальных ваннах щелочного состава.

В качестве растворителей для обезжиривания деталей из алюминиевых сплавов применяют уайт-спирит, технический ацетон, растворители РС-1 и РС-2. Обезжиривание алюминиевых сплавов можно проводить в водном растворе следующего состава: 40—50 г/л технического тринатрийфосфата (Na₃РО₄ * 12Н2О), 40—50 г/л кальцинированной соды (Na₂СО₃), 25—30 г/л жидкого стекла (Na₂SiO₃). Температура ванны 60—70 ⁰С, время обработки 4—5 мин. Удаление поверхностной окисной пленки является наиболее ответственной операцией подготовки деталей. При этом в основном удаляют старую пленку окислов, полученную в результате длительного хранения и содержащую значительное количество адсорбированной влаги.

Окисную пленку можно удалять с помощью металлических щеток из проволоки диаметром 0,1—0,2 мм при длине ворса не менее 30 мм или шабрением. После зачистки кромки вновь обезжиривают растворителем. Продолжительность хранения деталей перед сваркой после зачистки 2—3 ч. При более широких масштабах производства поверхности деталей подвергают травлению. Широко применяют травление в щелочных ваннах по следующей технологии:

1) обезжиривание в растворителе;

2) травление в ванне из водного раствора 45—50 г/л НаОН; температура ванны 60—70 ⁰С; время травления 1—2 мин для неплакированных материалов; при необходимости снятия технологической плакировки (например, на сплаве АМг6) время травления выбирают из расчета 0,01 мм за 2,5—3 мин;

3) промывка в проточной горячей воде (60—80 ⁰С), затем в холодной воде;

4) осветление в 30% -ном водном растворе HNO₃ при 20 ⁰С в течение 1—2 мин или в 15%-ном водном растворе HNO₃ при 60 ⁰С в течение 2 мин;

5) промывка в холодной проточной воде, затем в горячей (60—70 ⁰С);

6) сушка горячим воздухом (80—90 ⁰С).

При сварке деталей из сплавов алюминия, содержащих магний повышенной концентрации (например, сплава АМг6), перед сваркой кромки деталей и особенно их торцовые поверхности необходимо зачищать шабером. Для обработки электродной проволоки из алюминиевых сплавов используют те же ванны. Во многих случаях для обработки присадочной проволоки после травления рекомендуется проводить, электрохимическое полирование, особенно для сплавов, содержащих магний. В качестве электролита используют раствор состава: 700 мл ортофосфорной кислоты, 300 мл серной кислоты окиси хрома. В процессе полирования проволоки температуру электролита поддерживают 95—100 ⁰С. При перегреве электролита свыше 100 ⁰С происходит растравливание поверхности, а при понижении температуры ниже 90 ⁰С процесс полирования прекращается. Качество подготовки проволоки контролируют наплавкой технологических валиков с последующей оценкой пористости металла шва путем взвешивания.

Важнейшим показателем свариваемости алюминиевых сплавов является способность не образовывать при сварке горячих трещин. Сплавы, крайне чувствительные к горячему трещинообразованию, считаются не свариваемыми. Применение их в сварных конструкциях не рекомендуется.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой (системы А1-Мn и А1-Мg) и технический алюминий хорошо свариваются. Заготовки из этих сплавов выпускаются в отожженном и холоднодеформированном (нагартованном) состоянии.

Сплавы, упрочняемые термической обработкой (закалка с последующим старением), имеют обычно более высокую степень легирования и механическую прочность. Это сплавы А1-Мg-Si (авиали) и Аl-Zn с добавками других элементов. Они хуже свариваются (некоторые совсем не свариваются) и часто имеют низкую коррозионную стойкость. Авиали свариваются только с использованием присадочного материала.

Сплавы Аl-Сu и Аl-Сu-Мg (большинство относятся к дюралюминам) относятся к не свариваемым сплавам. Единственный свариваемый сплав Аl-Сu — 1201 и его зарубежные аналоги. Тройные сплавы Аl-Zn-Мg свариваются хорошо только в том случае, если суммарное содержание легирующих элементов не превышает 7,0 — 7,5%. К свариваемым относится отечественный сплав 1915 и его зарубежные аналоги.

Для литейных сплавов сварка применяется только в ремонтных целях, а также для исправления дефектов литья. Из всех литейных сплавов наибольшее распространение получили сплавы Аl-Si (силумины), которые относятся к группе ограниченно свариваемых.

Сварка алюминия и стали характеризуется необходимостью тщательной очистки стыка, нанесения активирующего покрытия на свариваемые детали. Процесс затруднен физико-химическими свойствами алюминия. Выполняется в основном аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. Подготовка стальной детали под сварку предусматривает для стыкового соединения двусторонний скос кромок с углом 70 град, так как при таком угле скоса прочность соединения достигает максимальной величины. Свариваемые кромки тщательно очищают механически или пескоструйным способом, или химическим травлением, затем на них наносят активирующее покрытие. Недопустимо применение дробеструйной очистки, так как на поверхности металла остаются окисные включения. Наиболее дешевое покрытие - цинковое, наносимое после механической обработки.

Особенностью сварки алюминия со сталью по сравнению с обычным процессом аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов является расположение дуги; в начале наплавки первого шва - на присадочном прутке, а в процессе сварки - на присадочном прутке и образующемся валике, так как при длительном воздействии теплоты дуги на поверхность стали происходит преждевременное выгорание покрытия, что препятствует дальнейшему процессу сварки. После появления начальной части валика дугу нужно зажигать вновь (после перерыва) на алюминиевом валике. При сварке встык дугу ведут по кромке алюминиевой детали, а присадку - по кромке стальной детали таким образом, что жидкий алюминий натекает на поверхность стали, покрытой цинком или алитированной.

В зависимости от типа соединения при сварке необходимо соблюдать последовательность наложения валиков шва, обеспечивающую необходимое перекрытие. Чередование валиков с лицевой и обратной стороны предотвращает перегрев стальной детали и преждевременное выгорание цинка с ее поверхности.

Важное значение имеет правильный выбор скорости сварки, так как она определяет время взаимодействия жидкого алюминия со сталью, т. е. определяет толщину и стабильность интерметаллидной прослойки. Для первых слоев скорость сварки назначают в интервале 7-10 м/ч, для последующих (когда сталь достаточно разогрета) в пределах 12-15 м/ч. При рассмотренных условиях сварки статическая прочность соединения при разрыве соответствует прочности технического алюминия (10 кгс/мм2).