Особенности сварки цветных металлов и сплавов

Сварка алюминиевых сплавов

Отличаясь малой массой, сравнительно высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью и способностью легко деформироваться, полуфабрикаты из алюминиевых сплавов (листы, профили, трубы) имеют важное значение для таких отраслей машиностроения, как авиастроение и судостроение, производство химической аппаратуры, строительство, многие виды транспортного машиностроения и др. Высокая коррозионная стойкость большинства алюминиевых сплавов, хорошая тепло- и электропроводность также делают их во многих случаях труднозаменимым конструкционным материалом.

Алюминиевые сплавы подразделяются на две основные группы: деформируемые и литейные. Теоретической границей, разделяющей эти сплавы, служит предел растворимости элементов в твердом растворе. Деформируемые сплавы имеют концентрацию легирующих элементов меньше предела растворимости и при нагреве могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность. Литейные сплавы лежат за пределами растворимости и имеют в структуре эвтектику. Наличие последней сообщает сплавам хорошие литейные свойства (жидкотекучесть, заполняемость формы), но ухудшает их способность к деформации.

Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с изменением температуры. Это сообщает сплавам способность упрочняться термообработкой. Принципиально упрочнением при термообработке должны обладать все сплавы, имеющие концентрацию легирующих элементов сверх предела растворимости при комнатной температуре. В связи с этим сплавы подразделяют на сплавы, неупрочняемые термически, и сплавы, упрочняемые термически.

В сварных конструкциях получили распространение деформируемые алюминий (АД, АД1 и др.) и алюминиевые сплавы, неупрочняемые термообработкой (АМц, АМг, АМгЗ, АМгбЗ, АМгб и др.), а также упрочняемые (Д20, М40, Д20, ВАД23, В92А, 1201, 1420 и др.). Литейные сплавы применяются в сварных конструкциях редко.

При сварке плавлением конструкций из алюминиевых сплавов возможны различные виды сварных соединений — стыковые, нахле- сточные, тавровые и угловые. Наибольшее распространение получили соединения стыковые. Нахлесточные, тавровые и угловые соединения желательно выполнять аргонодуговой сваркой.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применяют при толщине металла более 4 мм. Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности без поперечных колебаний. При сварке технически чистого алюминия и сплавов типа АМц металлический стержень электрода изготовляют из проволок, близких по составу к основному металлу. Для сплавов типа АМг следует применять проволоку с повышенным содержанием магния (1,5—2%) в целях компенсации его угара при сварке. Основу покрытия электродов составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия.

Для улучшения механических свойств сварных соединений осуществляют проковку или прокатку роликами шва в холодном и теплом состоянии. При сварке термически упрочняемых сплавов можно повысить прочность сварного соединения до уровня основного металла последующей (после сварки) термообработкой сварного узла (закалка и искусственное старение).

При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом стыковых соединений без разделки кромок для исключения окисных включений в металле швов необходимо применять подкладки рациональной формы. Для сварки применяются подкладки без канавки и подкладки с различной формой канавки — прямоугольной и сложного профиля. При сварке на подкладке с канавкой сложного профиля торцовые поверхности кромок при расплавлении листов полностью выводятся в проплав, и вероятность образования включений оксидных пленок снижается.

При сварке стыковых соединений в зависимости от толщины свариваемого металла и принятого метода сварки используют различные виды подготовки кромок. Помимо механической обработки кромок свариваемых деталей, для придания им рациональной формы, облегчающей выполнение соединений, подготовка деталей к сварке включает очистку их поверхности от загрязнений и окислов. Следы масла, краски и другие загрязнения должны быть удалены или со всей поверхности свариваемых деталей или же с их кромок на определенной ширине (20—30 мм) вдоль стыка.

После обезжиривания детали подвергают специальной обработке для удаления поверхностной окисной пленки: механическим путем — зачисткой поверхности деталей наждачной бумагой, шабером или проволочной щеткой, а также химическим путем — травлением деталей в специальных растворах. При массовом производстве механическая зачистка кромок не рекомендуется в связи с недостаточно высокой производительностью процесса и невысоким качеством подготовки поверхности.

При сварке деталей из сплавов алюминия, содержащих повышенную концентрацию магния (например, сплав АМгб), непосредственно перед сваркой кромки и особенно торцы деталей зачищаются шабером.

Подготовка поверхности проволоки включает в себя следующие основные операции: обезжиривание, травление, дополнительную обработку поверхности после травления в целях повышения плотности пленки и уменьшения запаса имеющейся в ней влаги.

При сварке в среде аргона алюминиевых сплавов отпадает необходимость применения флюсов. Это значительно упрощает процесс и делает возможным сварку соединений, опасных в коррозионном отношении из-за трудности удаления остатков флюсов.

Для сварки алюминиевых сплавов в среде защитных газов применяют аргон первого сорта или смеси аргона с гелием. При этом разрушение окисной пленки происходит в результате катодного распыления, в связи с чем сварку алюминиевых сплавов в аргоне желательно вести на постоянном токе обратной полярности. Это возможно при автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом.

При сварке вольфрамовым электродом вследствие большого выделения теплоты на аноде наблюдается чрезмерный перегрев его и повышенный расход. Для уменьшения расхода вольфрама необходимо питание дуги переменным током. При этом в полупериоды, когда катодом является вольфрам, происходит его охлаждение, а в полупериоды, когда катодом является деталь, происходит разрушение и удаление окисной пленки. При сварке на переменном токе удается сохранить достаточно высокую стойкость электрода и добиться удовлетворительного разрушения оксидной пленки на детали.

Применение импульсной дуги для сварки алюминиевых сплавов расширило возможности сварки неплавящимся электродом. При сварке импульсной дугой на переменном токе удается сваривать алюминиевые сплавы толщиной 0,2 мм и более. Стыковые соединения металла толщиной 0,2—1 мм сваривают с применением присадочной проволоки диаметром 0,6—2,6 мм на стальных подкладках с формирующими канавками. При сварке импульсной дугой алюминиевых сплавов толщиной 0,2—1 мм коробление кромок снижается на 40—60%.

Сварка плавящимся электродом алюминия и его сплавов применяется при толщине более 4 мм. Надежное разрушение пленки оксидов при таком способе автоматической и полуавтоматической сварки в аргоне, гелии или смеси этих газов достигается лишь при питании дуги постоянным током обратной полярности. Механизм удаления оксидной пленки в этом случае заключается в разрушении и распылении ее тяжелыми положительными ионами, бомбардирующими катод (используется так называемый эффект катодного распыления). Недостаток способа сварки алюминия плавящимся электродом — некоторое снижение по сравнению со сваркой неплавящимся электродом показателей механических свойств. Так, для сплава АМгб снижение предела прочности может достигать 15%. Уменьшение прочности шва объясняется тем, что электродный металл, проходя через дуговой промежуток, перегревается в большей степени, чем присадочная проволока при сварке неплавящимся электродом. К преимуществам этого способа сварки относятся хорошее перемешивание сварочной ванны и в связи с этим лучшее очищение шва от оксидных включений, а также высокая производительность.

Для сварки применяют проволоку диаметром не менее 1,2 мм, так как из-за недостаточной жесткости сварка алюминиевой проволокой меньшего диаметра затруднена. При использовании проволоки указанных диаметров устойчивый процесс можно получить при токах не менее 130 А, позволяющих сваривать за один проход металл толщиной 4—5 мм. При сварке в горизонтальном или потолочном положении сварочный ток уменьшается на 10—15%.

Значительное увеличение производительности сварки алюминия плавящимся электродом достигается при использовании импульснодуговой сварки: существенно уменьшается нижний предел сварочного тока и благодаря этому расширяются диапазоны рабочих токов с направленным мелкокапельным переносом металла; улучшаются стабильность горения дуги и формирование швов, что позволяет применять этот вид сварки в различных пространственных положениях с уменьшением пористости и снижением деформации тонколистовых конструкций (толщиной 2—4 мм).

Все способы и режимы сварки технического алюминия пригодны и для термически неупрочняемых алюминиевых сплавов типа АМц и АМг. При сварке высокопрочных алюминиевых сплавов и особенно термически упрочненного основного металла в каждом конкретном случае приходится изыскивать пути повышения стойкости шва и околошовной зоны против образования трещин и устранения других дефектов (металлургические приемы — выбор присадочного металла оптимального состава в сочетании с технологическими приемами — подбор режимов сварки, рациональный порядок выполнения швов, предварительный и сопутствующий подогрев и др.), а также увеличения коэффициента прочности сварных соединений. Введение модификаторов (цирконий, титан, бор) в проволоку позволяет резко повысить стойкость швов против образования кристаллизационных трещин. Для ряда высоколегированных сплавов (например, систем А1—]У^ и А1—Си хорошие результаты достигаются при использовании проволоки с пониженным содержанием сопутствующих примесей. В ряде случаев удовлетворительные свойства швов на высокопрочных сплавах можно получить при сварке проволокой, отличной по составу от основного металла (например, проволока марки Св. АК5 для сплавов типа АВ, АД31, АДЗЗ.

Сварные швы на алюминии хорошо противостоят воздействию концентрированной азотной кислоты. Соединения из наиболее распространенных алюминиево-магниевых сплавов обладают высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и морской воде. Однако они непригодны для эксплуатации в азотной кислоте и других агрессивных средах. Коррозионная стойкость под напряжением сварных соединений из алюминиевых сплавов в значительной степени определяется составом и свойствами исходного металла, режимами и условиями сварки, а также последующей термической обработкой.

Плазменная сварка в связи с необходимостью разрушения и удаления оксидной пленки выполняется сжатой дугой переменного и постоянного тока обратной полярности. Она обеспечивает ряд технологических преимуществ по сравнению с обычной аргонодуговой сваркой алюминия и его сплавов неплавящимся электродом, позволяет повысить производительность сварочных работ на 50—70%, снизить расход аргона в 4—6 раз, улучшить качество сварных соединений. При плазменной сварке на переменном токе эффективный КПД нагрева повышается до 65—70% по сравнению с 45—50% при обычной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом на переменном токе. Из сравнения режимов плазменной и аргонодуговой сварки следует, что минимальная погонная энергия соответствует сварке сжатой дугой на постоянном токе при обратной полярности. Поэтому данный способ имеет преимущества в первую очередь при сварке конструкций из нагартованных и термически упрочненных алюминиевых сплавов. Уменьшая погонную энергию при сварке, можно снизить суммарный объем несплошностей в шве вследствие торможения реакции разложения остатков влаги в оксидной пленке во время существования сварочной ванны. При плазменной сварке на постоянном токе снижается расход присадочной проволоки до 40%, заметно сужаются швы, можно получить удовлетворительные механические свойства швов при нетравленом основном металле. В этом отношении лучшие результаты дает сварка проникающей сжатой дугой. Сжатая дуга проникает через кратер в ванне на всю толщину основного металла; при этом особенно эффективно проявляется катодная очистка. Для заполнения отверстия под дугой в зону сварки подается присадочная проволока. Погружение сжатой дуги в металл возможно при ручной сварке.