Особливості зварювання алюмінію та його сплавів.
Технічний алюміній Алюмінієві сплави знайшли широке застосування в промисловості завдяки їх перевагам, основне з яких це мала питома вага (2,65-2,85 г/см3 - майже втричі легше заліза), що може забезпечити їхню відносно високу питому міцність. Межа міцності алюмінію після відпалу становить приблизно 6,0 кг/мм2. Однак, шляхом його легування можна отримати сплави та підвищити їх міцність до 7.0 кг/мм2; відповідно, у своїй знижуються їх пластичні властивості. Чистий алюміній має високу пластичність подовження-30-50%; твердість НВ 25; межа плинності - 2-3 кг/мм; відносне звуження -80%. Температура плавлення алюмінію становить близько 658,7 ° С. Температура рекристалізації алюмінію становить близько 400 °. Температура ліквідуса всіх практично застосовуваних з виробництва алюмінієвих сплавів нижче температури плавлення алюмінію.
Алюміній має високу електропровідність (60-65% від Сі), теплопровідність (0,57 кал (см сек. ° С); добре обробляється в холодному і гарячому стані. Завдяки окисній плівці, алюміній добре поводиться при дії кислот, перекису водню, рідкого кисню та ін.З нього виготовляють хімічну апаратуру.Вироби з алюмінієвих сплавів можуть працювати короткочасно при температурах до 350° С. Алюмінієві сплави поділяються на деформовані і ливарні. як елемент, що вводиться в невеликій кількості для зміцнення З алюмінієвих сплавів, що деформуються, в основному і виготовляються зварні конструкції, зварювання ливарних сплавів застосовується при виготовленні зварно-литих, зварно-ковано-литих, а також як засіб для зварюваннявиправлення вад виливків.
Деформовані алюмінієві сплави можна, крім того, розбити на дві групи: термічно не оброблювані та термічно оброблювані.
Алюмінієві сплави, що термічно не оброблюються, зміцнюються при легуванні в межах твердого розчину та пластичної деформацією в холодному стані (нагартуванням). Друга група алюмінієвих сплавів зміцнюється легуванням, нагартовкою та термічною обробкою.
Внаслідок зниженої пластичності шва і біля шовної ділянки, міцність зварних з'єднань з алюмінієвих сплавів (для термічно зміцнюваних сплавів на відміну від сталевих зварних з'єднань) дещо менша, ніж міцність основного металу. Тому працездатність зварного з'єднання при низьких та кімнатних температурах лімітується властивостями металу шва та навколошовної ділянки. Деякі алюмінієві сплави для підвищення їх міцності піддаються наклеп і поставляються в підлозі нагартованому або нагартованому стані.
При зварюванні плавленням зміцнення, створене наклепом, в області термічного впливу зварювання знімається, тому міцність зварних з'єднань з нагартованих та ненагартованих алюмінієвих сплавів практично однакова.
Деякі із застосовуваних в СРСР деформованих алюмінієвих сплавів не зміцнюваних термічною обробкою та деформованих алюмінієвих сплавів, що зміцнюються термічною обробкою, наведені відповідно в табл. 1 та 2.
Деякі аналогічні алюмінієві сплави вітчизняних та іноземних марок наведені в табл. 3.
Теплофізичні характеристики, взаємодія з киснем і воднем та ін. газами, схильність до утворення кристалізаційних тріщин, особливості литої та відпаленої структурвизначають зварюваність алюмінієвих сплавів.
Значно вищі, ніж у сталі, теплопровідність і питома теплоємність, а також електропровідність, перешкоджають зосередженню необхідного тепла в зоні зварювання сплаву і змушують при зварюванні плавленням застосовувати потужні та концентровані теплові джерела, а іноді і попереднє або супутнє підігрів від стороннього теплового джерела.
Особливості зварювання алюмінію та його сплавів пов'язані також із властивостями окисної плівки (А1203), що постійно на поверхні цих металів.
Щільна плівка окислу алюмінію на поверхні сплаву перешкоджає сплавленню алюмінієвих елементів, що зварюються. Висока питома вага оксиду (3.85 г/см3) при питомій вазі алюмінію 2,65-2,75 г/см3 створює небезпеку застрявання окисних плівок у рідкому металі.
Для розчинення та видалення окисної плівки при зварюванні застосовуються спеціальні флюси, електродні покриття; Останнім часом з'явилася можливість впливати на оксиди ультразвукових коливань.
Флюси або покриття, що застосовуються при зварюванні алюмінієвих сплавів, самі не повинні містити оксидів.
Розплавлений алюмінієвий сплав здатний розчиняти гази і, зокрема, водень. При швидкому охолодженні металу, у зв'язку з обмеженою розчинністю в твердому алюмінію водню, може не встигнути виділитися в атмосферу і зварний шов виявиться пористим. Різні способи видалення водню з рідкого металу - штучне коливання або перемішування рідкого металу викликає укрупнення газових бульбашок, що полегшує їх спливання на поверхню. Вплив ультразвукових коливань на рідку зварювальну ванну при зварюванні алюмінієво-магнієвих сплавів, як показали лабораторні експерименти, сприяє зниженню пористості.зварних швів.
Слід зазначити, що протягом багатьох років техніка зварювання алюмінієвих сплавів відставала від техніки зварювання сталей.
В даний час у Радянському Союзі, а також у зарубіжних країнах розроблені та впроваджені в різних галузях промисловості цілком надійні високопродуктивні способи зварювання, що не поступаються способам зварювання сталі.
Перехід із твердого в рідкий стан сталі можна спостерігати за зміною кольору металу; в алюмінієвих сплавах перехід з рідкого стану в твердий і навпаки не викликає зміни кольору, що ускладнює визначення моменту плавлення кромок деталей, що зварюються.
В даний час для зварних конструкцій з легких сплавів використовуються в основному тільки алюмінієві сплави, що термічно не зміцнюються.
Промислові високоміцні алюмінієві сплави, що зміцнюються термічною обробкою і мають високу міцність і теплостійкість, з причин поганої зварюваності способом сплаву не використовуються при виготовленні зварних конструкцій або застосовуються дуже обмежено.
Останнім часом розроблені високоміцні алюмінієві сплави, при зварюванні яких не утворюється тріщин.
При зварюванні алюмінієво-магнієвих та ін легких сплавів можна в певних межах управляти процесами кристалізації, створювати зварні шви з необхідними властивостями.
Можна вибрати такий спосіб зварювання та такий режим, які б дозволили обмежувати верхню температуру нагріву, регулювати час перебування шва в рідкому стані, а також змінювати швидкість нагрівання та охолодження.
Отримати задовільну литу структуру зварного шва в алюмінієвих сплавах можна шляхом: обмеження перегріву рідкого металу, що викликає укрупнення зерен сплаву та підвищене поглинання газів;максимального скорочення часу перебування зварювальної ванни у рідкому стані; швидкого охолодження з рідкого стану, що сприяє отриманню найбільш сприятливої структури і не викликає утворення великих місцевих напруг.
Для забезпечення таких умов необхідні концентровані потужні джерела тепла, які б дозволили вести зварювання при підвищених швидкостях.
До останнього часу в СРСР газове зварювання алюмінію мало найбільше застосування. Легкість регулювання складу, необхідного для зварювання алюмінію полум'я, широкий вибір присадкових матеріалів і флюсів, а також зручність маневрування полум'ям газового пальника дозволили просто підібрати необхідні умови для зварювання алюмінію.
У той же час необхідно відзначити, що зварні з'єднання з алюмінієвих та інших кольорових сплавів, виконані газовим зварюванням, мають меншу статичну міцність і пластичність, ніж виконані електричними способами зварювання.
Для успішного зварювання алюмінію плавленням дуже важливо захистити рідку зварювальну ванну.
від шкідливого впливу повітря.
І в даний час ще застосовується газове зварювання алюмінію поряд з такими прогресивними способами зварювання, як аргоно-дугове. У меншій мірі для зварювання алюмінію використовуються зварювання металевими електродами зі спеціальними покриттями, автоматичне зварювання під шаром флюсу (для товстолистового алюмінію), контактне зварювання, холодне зварювання, ультразвукове та ін.
У разі заміни газового зварювання електричним зварюванням досягається значне підвищення продуктивності праці та якості зварних з'єднань.
Відмінність фізико-хімічних властивостей окремих алюмінієвих сплавів вимагає, щоб технологія, режими, техніка та прийоми
зварювання їх були різні. „ „
Алюміній успішно зварюється напівавтоматичним дуговим зварюванням у середовищі аргону. Ручне зварювання вольфрамовим електродом серед аргону також широко застосовується з виробництва.
Лугове зварювання в середовищі аргону вольфрамовим електродом алюмінію та його сплавів проводиться на змінному струмі, при якому забезпечується руйнування оксидної плівки на поверхні алюмінію; для полегшення процесу збудження та горіння дуги застосовується осцилятор, що включається в зварювальний ланцюг установки, при цьому на основний змінний струм накладається високочастотний змінний струм. ,
При аргоно-дуговому зварюванні електродом, що плавиться, застосовується постійний струм на зворотній полярності.
При зварюванні алюмінію під шаром флюсу плити товщиною 18-20 мм можна зварити за один прохід, застосовуючи дріт діаметром 3 мм і зварювальний струм силон 430-450 а.
При зварюванні алюмінію може статися опускання частини, яка розташована під дугою (при температурі 370° межа міцності алюмінію не перевищує 1 кг/мм 2 ). Щоб уникнути цього, застосовують сталеві або мідні підкладки, що підтримують метал знизу.
Дугове зварювання металевими електродами з покриттям та під шаром флюсу проводиться на постійному струмі зворотної полярності. Якщо застосовується супутній підігрів, то нагрівання не повинно перевищувати 200-250 ° на відстані 200-250 мм від місця зварювання. Для зменшення пористості в швах необхідно застосовувати підігрів і знизити швидкість зварювання.
При зварюванні тонких листів алюмінію в затискному пристрої деформації зменшуються.
Чистий алюміній при зварюванні, як правило, не схильний до утворення тріщин.
Щоб уникнути утворення кристалізаційних тріщин у зварних швах товстостінного алюмінію, необхідно, щоб у ньому булобільше заліза, ніж кремнію, і навіть титану (0,04— 0,05 ).