Сварка алюминия и его сплавов Чистый алюминий

Сварка алюминия и его сплавов

Чистый алюминий в виду своей низкой прочности (9– 12 к. Гс/мм^2) используется в отдельных случаях пищевой, электротехнической промышленности, химическом машиностроение. Алюминий высокой чистоты находит применение в ряде отраслей, например в производстве полупроводниковых устройств. Основное назначение: полуфабрикаты из алюминиевых сплавов (листы, профили, трубы). Алюминий отличается малой плотностью, в зависимости от степени чистоты можно выделить следующие виды: 99, 25% Al ρ = 2, 727 г/см 3, 99, 75% Al ρ = 2, 700 г/см 3.

Плотность зависит и от температуры: Т = 20 0 С 99, 750% Т = 659 0 С (твердое) 99, 750% Т = 659 0 С (жидкость) 99, 750% ρ = 2, 700 г/см 3, ρ = 2, 550 г/см 3, ρ = 2, 380 г/см 3. Этим объясняется сложность сварки из-за особенности усадки, также и при изготовление литых деталей. Алюминий имеет разную температуру плавления: Алюминий высокой чистоты – 660 град. С; Алюминий технический – 658 град. С; АМг 6 – 628 град. С.

Алюминиевые сплавы Деформируемые Литейные

Классификация и характеристика промышленных сплавов алюминия 1) Деформированные сплавы; 2) Литейные сплавы; 3) Деформированные, не упрочняемые термической обработкой сплавы; 4) Деформированные, упрочняемые термической обработкой сплавы.

Теоретической границей является предел растворимости элементов в твердом растворе. Деформированные сплавы имеют концентрацию легирующих элементов меньше предела растворимости и при нагреве могут быть приведены в однофазное состояние, которым обеспечивается высокая деформационная способность. Концентрация легирующих элементов в литейных сплавах превышает их предельную растворимость в алюминии, поэтому эти сплавы имеют эвтектики, что сообщает сплавам хорошие литейные свойства: жидкотекучесть, хорошая заполняемость формы, но ухудшает их способность к деформации.

Все деформированные сплавы делят на: – не упрочняемые термической обработкой (твердые растворы, имеющие концентрацию легирующих элементов ниже предела растворимости при комнатной температуре); – термически упрочняемые деформированные (концентрация легирующих элементов свыше этого предела).

Деформированные сплавы не упрочненные термической обработкой: 1) технический алюминий (95, 25%); 2) АМц; 3) сплавы типа магналий; 4) АМг 1, АМг 2, АМг 3, АМг 5, АМг 61;

Деформированные термической обработкой сплавы делят на 6 групп: 1) Дуралюмины – сплавы типа Д 1, Д 16, Д 19, ВАД 1, ВД 17, М 40, Д 18 (система Al–Cu–Mg); 2) Авиали –АВ, АД 31, АД 33, АК 6, АК 8 (система Al–Mg–Si; Al– Cu–Mg–Si): АВ, АД 31, АД 33, АД 35, АК 6 -1, АК 8; 3) Сплавы на основе системы Al–Cu–Mg–Fe–Ni: АК 2, АК 41. 4) Сплавы на основе системы Al–Cu–Mn: Д 20, Д 21, ВАД 23. 5) Сплавы на основе системы Al–Zn–Mg–Cu: В 93, В 94, В 95, В 96. 6) Сплавы на основе системы Al–Mg–Zn: В 92, В 92 Ц, АМц.

Сложности при сварке алюминия и его сплавов

Поверхность алюминия и его сплавов покрыта плотной и прочной оксидной плёнкой (окисью алюминия).

Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050° С), окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образование общей ванны.

Важной характеристикой окисной пленки алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Последний удерживается окисной пленкой до температуры плавления металла.

Коэффициент теплового расширения окисной пленки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в ней образуются трещины. Оксидная плёнка разрушается в виде отдельных кусков, которые попадая в сварочную ванну образуют опасный вид дефекта – оксидное включение.

Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла от повторного окисления. С этой целью используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в атмосфере инертных защитных газов. Вследствие большой химической прочности соединения А 12 О 3 восстановление алюминия из окисла в условиях сварки практически невозможно. Не удается также связать А 12 О 3 в прочные соединения сильной кислотой или основанием.

В условиях электродуговой сварки в инертных защитных газах удаление окисной пленки происходит в результате электрических процессов, происходящих у катода (катодное распыление).

Водород, в отличие от других газов, обладает способностью растворяться в алюминии и при определенных условиях образовывать поры в металле швов.

Изменение растворимости водорода в алюминии при различных температурах

Основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, является реакция взаимодействия влаги, содержащейся в окисной пленке, с металлом: 2 Al + 3 H 2 O = Al 2 O 3 + 6 H

При наличии паров воды в зоне ванны концентрация растворенного в металле водорода может оказаться намного больше равновесной. При охлаждении растворенный водород в связи с понижением растворимости стремится выделиться из металла. Пузыри выделяющегося водорода, не успевая всплыть из ванны, остаются в шве, образуя поры.

Основным источником водорода, растворяющегося в металле шва при аргонодуговой сварке, является влага, адсорбированная поверхностью металла и входящая в состав окисной пленки в виде гидратированных окислов. Количество ее определяется состоянием поверхности металла и зависит от обработки его перед сваркой.

Поэтому основной мерой борьбы с пористостью при сварке алюминия является снижение концентрации растворенного в нем водорода до предела ниже 0, 69 – 0, 7 см^3/100 г металла.

Выделение водорода с единицы поверхности алюминия при нагреве Подготовка поверхности а, см 3/см 2 для основного металла Травление: в растворе ортофосфорной кислоты ……………. . . в щелочной ванне с осветлением в азотной кислоте……………. Зачистка поверхности проволочной щеткой. . . . Электрополирование поверхности для проволоки 0, 0008 0, 00165 0, 0018 0, 004 --- 0, 00022

Предупреждению пористости при сварке алюминия может способствовать сокращение удельной поверхности присадочной проволоки за счет увеличения ее диаметра и уменьшения доли участия присадочного металла в образовании шва. Рациональную обработку поверхности проволоки и основного металла применяют с целью уменьшения толщины окисной пленки и запаса имеющейся в ней влаги.

Удаление окисной плёнки с поверхности свариваемого металла

Механическая зачистка с помощью металлических щеток. Обезжиривание в водном растворе следующего состава: 40 -50 г/л тринатрийфосфата (Na 3 PO 4 · 12 H 2 O), 35 -50 г/л кальцинированной соды (Na 2 CO 3), и 25 -30 г/л жидкого стекла (Na 2 Si. O 3). Время обезжиривания примерно 5 минут температура раствора 60 -70°С. Травление в течении 1 – 3 мин в 5% растворе щелочи Na. OH или КОН.

Смывание остатков щелочи и продуктов реакции сначала горячей, а потом холодной водой Пассивация 20% азотной кислотой (HNO 3), нагретой до температуры 60 град. Промывка деталей холодной, затем горячей водой и их сушка

Подготовленные к сварке детали необходимо сварить в течение 24 часов, а сварочную проволоку использовать в течение 8 часов. Различие в сроке хранения подготовленных к сварке деталей и проволоки обусловлено тем, что непосредственно перед сваркой соединяемые кромки деталей дополнительно очищают от окисных пленок механическим путем - проволочной щеткой, а затем шабером

Очистка в процессе сварки: Катодное распыление Присутствующие в дуге положительные ионы инертных газов разгоняются катодным напряжением и ударяют в поверхностный слой окисной пленки, разрушая его. Результаты этого процесса остаются в виде беловатых полос по сторонам шва.

Очистка в процессе сварки: Термическая очистка Осуществляется при сварке на прямой полярности Окись алюминия в этом случае разрушается при взаимодействии с расплавленным алюминием. В результате образуется газообразный субокисел Al 2 O. Поскольку эта реакция возможна только при температурах свыше 1700 °С, область очищенной поверхности практически ограничена анодным пятном.

Очистка в процессе сварки: Использование очищающих флюсов Действие флюсов для сварки алюминия основано на процессах растворения и смывания диспергированной окисной пленки расплавленным флюсом, поскольку: • восстановление алюминия из окисла в условиях сварки практически невозможно; • не удается связать А 12 О 3 в прочные соединения сильной кислотой или основанием.

Очистка в процессе сварки: Использование подкладок с канавками Форма поперечного сечения канавки: а – прямоугольная, б – квадратная со скругленными кромками, в – квадратная наклонная. Для устранения окисных включений в металле швов используют удаляемые подкладки из коррозионно-стойкой стали, других металлов с повышенной температурой плавления, а также меди, благодаря ее высокой теплопроводности.

Схема удаления окисных пленок из корня шва при односторонней сварке стыковых соединений на подкладке с канавкой 1 – электрод; 2 – свариваемый металл; 3 – расплавленный металл сварочной ванны; 4 – окисные плёнки на поверхности соединяемых кромок; 5 – подкладка с канавкой; 6 – металл шва.

На практике обычно применяют подкладки с глубиной канавки 1, 2 – 2 мм. При правильно выбранном и стабильном режиме сварки такая глубина канавки более чем в 1, 5 раза превышает высоту оставшихся под дугой окисных пленок и обеспечивает их полное удаление в поверхностный слой нижнего усиления шва.

Сварка алюминия и его сплавов

Для сварки алюминия и его сплавов применяют следующие основные способы сварки: • Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом; • Автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом; • Ручная дуговая покрытыми электродами; • Автоматическая аргонодуговая сварка плавящимся электродом; • Механизированная аргонодуговая сварка плавящимся электродом; • Автоматическая сварка под слоем флюса.

К числу технологических особенностей сварки алюминия необходимо отнести предварительный подогрев, снижающий вероятность порообразования из-за снижения кол-ва влаги в окисной плёнке. Нагрев производят используя газовые горелки (восстановительное пламя), горячий воздух или электроконтактные нагреватели. Температуру контролируют с помощью контактных термопар или термокарандашей.

Ручная дуговая сварка алюминия

При толщине 12 мм и более прихватку и сварку производить с подогревом до 250 -350°С. Прихватку и сварку производят на постоянном токе обратной полярности. Зазор при сборке устанавливается в зависимости от толщины металла в пределах до 3 мм. При длине шва более 500 мм рекомендуется применять обратно-ступенчатый способ сварки.

Дуговая сварка в среде инертных газов Сварку осуществляют неплавящимися (вольфрамовыми чистыми, лантанированными и иттрированными) и плавящимися электродами. Используемые инертные газы: аргон высшего и первого сорта по ГОСТ 10157 -79, гелий повышенной чистоты, смесь аргона с гелием. Выбор конкретного способа сварки определяется конструкцией изделия и условиями производства.

Ручная дуговая сварка вольфрамовым электродом Сварка осуществляется при питании дуги от источников питания переменного тока (установки типа УДГ, УДГУ). Расход аргона составляет 6. . . 15 л/мин. При переходе на гелий расход газа увеличивается примерно в 2 раза. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15. . . 20 В, а в гелии 25. . . 30 В.

Производительность сварки вольфрамовым электродом можно повысить в 3. . . 5 раз, если использовать трехфазную дугу. Благодаря более интенсивному прогреву за один проход на подкладке сваривают листы толщиной до 30 мм. Сварку осуществляют как ручным, так и механизированным способом.