Сварка алюминиевых сплавов

Особенности сварки алюминиевых сплавов состоят в следующем.

На поверхности алюминиевых сплавов постоянно находится оксидная пленка (А1₂0₃) толщиной около 3 нм. Плотность материала пленки значительно выше плотности расплавленного алюминия (3,85…4,0 и 2,28…2,29 г/см³ соответственно). Температура плавления оксидной пленки также выше, чем у алюминия (2 046… 2 050 °С и 650…670 °С соответственно). В силу высокого сродства алюминия к кислороду скорость образования оксидной пленки очень высока, и ее полное удаление перед сваркой невозможно.

При нагреве алюминия толщина пленки возрастает в 30 — 40 раз. В процессе сварки более тяжелая и тугоплавкая оксидная пленка нс растворяется в расплавленном металле и препятствует образованию общей сварочной ванны, а также кристаллизации металла (образуются непровары и несплавления).

Пленка может остаться в жидком металле в виде включений и вызвать образование пор в сварном соединении. Для нормального ведения сварки и получения высококачественного сварного соединения важное значение имеет удаление оксидной пленки.

Для удаления оксидной пленки используют активирующие флюсы (смеси хлоридов и фторидов щелочно-земельных элементов: NaCI, КС1, ВаС1₂, CaF₂, LiF). Флюс должен химически связывать или растворять компоненты пленки путем образования летучих галогенных соединений и легкоплавких шлаковых эвтектик. Флюс наносят в виде суспензии (раствора мелкодисперсного порошка в этиловом спирте или воде) на свариваемые кромки слоем толщиной 0,1 мм и после сушки производят сварку. Применение флюсов повышает стабильность горения дуги и формирования шва, а также способствует капельному переносу присадочного металла благодаря существенному снижению поверхностного натяжения. Составы активирующих флюсов для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов приведены в табл. 10.1.

Однако даже самая тщательная обработка деталей не приводит к полному удалению оксидной пленки, поэтому сварку алюминиевых сплавов производят на переменном токе, разрушая пленку посредством катодного распыления.

Высокая теплопроводность алюминиевых сплавов способствует быстрому отводу теплоты от места нагрева и нестабильности горения дуги. Поэтому для обеспечения необходимой температуры и образования нормальной сварочной ванны требуются мощные источники теплоты, а иногда и предварительный подогрев места сварки.

Отливки сложной формы (коробчатые, корпусные) характеризуются относительно большой разностснностью. Неодинаковые по толщине стенки отливок остывают с разной скоростью, вследствие чего происходит коробление детали, а также возможно образование новых трещин.

Алюминиевые сплавы в расплавленном состоянии активно растворяют водород, который при быстром охлаждении не успевает покинуть сварочную ванну и скапливается в сварном шве в виде газовых полостей круглой формы — пор. Для уменьшения числа образующихся пор производят тщательную подготовку под сварку деталей, электродов и проволоки (с подогревом до температур 100… 250 °С).

Таблица 10.1.

Составы активирующих флюсов для сварки алюминиевых сплавов.

Обработка свариваемых деталей и проволоки включает в себя травление в щелочном растворе, последующую промывку в теплой и холодной воде, а также растворе азотной кислоты.

Важной мерой против образования пор при сварке является обеспечение эффективной газовой защиты. Детали малой толщины следует сваривать на жестких режимах, обеспечивая максимальную скорость охлаждения сварочной ванны. Детали большой толщины необходимо сваривать на мягких режимах, обеспечивая минимальную скорость охлаждения сварочной ванны.

Сборку деталей производят без прихваток в сборочном приспособлении. Если невозможно надежно зафиксировать детали в приспособлении, то выполняют минимальное число прихваток с малым сечением.

Коэффициент линейного расширения алюминия вдвое, а теплопроводность — втрое больше, чем у стали. Это способствует появлению значительных внутренних напряжений, которые приводят к деформированию свариваемых деталей. Для уменьшения внутренних напряжений целесообразно перед сваркой подогревать детали до температур 250…300°С, а после сварки медленно охлаждать.

При нагреве до 400…450°С происходит снижение прочности и повышение пластичности алюминиевых сплавов. Для предотвращения «провала» сварочной ванны и корневого шва в ряде случаев нужно применять графитовые и стальные подкладки.

Переход алюминиевых сплавов из твердого состояния в жидкое трудно заметить. Даже в жидкой фазе цвет алюминия не меняется. Металл остается серебристо-белым, что затрудняет визуальное определение начала его расплавления при недостаточном опыте сварщика. Вследствие этого возможно разрушение стенки детали под действием силы тяжести металла.

Наиболее трудно сваривать алюминиевые сплавы системы AI— Си—Mg. При их нагреве до температуры 500 °C и выше происходит оплавление границ зерен с образованием эвтектических выделений. После затвердевания эвтектика имеет пониженную прочность из-за охрупчивания зоны термического влияния, которая не восстанавливается термической обработкой. При сварке алюминиевых сплавов системы AI—Zn—Mg в послесварочный период возможно выпадение хрупких интерметаллидов, что приводит к появлению холодных трещин.

Алюминиевые сплавы хорошо свариваются холодной сваркой. Наиболее часто осуществляют их сварку в защитных газах неплавящимся (суммарная толщина свариваемого металла не более 10 мм) или плавящимся (суммарная толщина металла более 10 мм) электродом. При автоматической сварке полуоткрытой дугой по флюсу с применением плавящегося электрода используют медные или стальные подкладки.

Алюминиевые сплавы хорошо свариваются плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. Металл малой толщины сваривают в аргоне, большой толщины — в смеси аргона с гелием. Сила тока зависит от толщины металла.

Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов приведены в табл. 10.2 и 10.3.

Таблица 10.2.

Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов вольфрамовым электродом.

Таблица 10.3.

Ориентировочные режимы аргонолуговой сварки алюминиевых сплавов плавящимся электродом.