Механизированная сварка алюминиевых сплавов

15.03.2012

1.1. Алюминий.

Алюминий — один из самых лёгких металлических конструкционных материалов, его плотность составляет 2,7 г/с м³. Чистый алюминий имеет невысокую температуру плавления (657ºС), низкую твёрдость, высокую пластичность, хорошую электропроводность (60% от электропроводности меди). Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью к воздействию воды и кислот. Коррозионные свойства объясняются высокой химической активностью алюминия, он быстро окисляется с образованием поверхностной плёнки Al2O3, которая имеет высокую плотность, твёрдость и температуру плавления. Одним из наиболее ценных свойств алюминия — высокая пластичность и хорошая деформируемость; он хорошо подвергается обработке давлением в холодном и горячем состоянии.

Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется наличием на поверхности изделий плотной окисной пленки. Алюминий совершенно нетоксичен, чем определяется широкое применение его в пищевой промышленности. Он весьма стоек в окислительных средах. В связи с этим его используют в сосудах для транспортировки и получения азотной кислоты и т.п. Как правило, чем меньше примесей в техническом металле, тем выше его коррозионная стойкость.

Чистый алюминий редко применяется как конструкционный материал (за исключением использования в качестве электропроводного материала в электротехнической промышленности и в отдельных случаях в химической и пищевой промышленности), что связано с его низкой прочностью. Но в результате сплавления с магнием, медью, цинком, кремнием и другими элементами алюминий способен образовывать разнообразные сплавы, обладающие достаточной прочностью и хорошими технологическими свойствами.

1.2. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы используют в сварных конструкциях различного назначения. Основными достоинствами их как конструкционных материалов являются малая плотность, высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость. В качестве конструкционных материалов в основном используют полуфабрикаты из алюминиевых сплавов. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана. Рис. 1. Классификация алюминиевых сплавов по бинарной диаграмме: 1 — деформируемые; 2 — литейные; 3 — деформируемые, неупрочняемые термической обработкой; 4 — деформируемые, упрочняемые термической обработкой. Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и др.) из деформируемых сплавов. Концентрация легирующих элементов деформируемых сплавов меньше.
Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и др.) из деформируемых сплавов. Концентрация легирующих элементов деформируемых сплавов меньшепредела растворимости, и при нагреве эти сплавы могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность. Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термической обработкой. В связи с этим деформируемые сплавы разделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости при 20 0С), и сплавы, упрочняемые термической обработкой (имеющие концентрацию легирующих элементов свыше этого предела). К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся:

технический алюминий АД0, АД1

сплав А1-Мn АМц (Аl + 1,3% Мg)

сплавы А1-Мg АМг1, АМг2, АМг3, АМг5, АМг61

В сварных соединениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и высокой коррозионной стойкости.

Термически упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы могут быть разделены на несколько групп:

сплавы А1-Сu-Мg (дуралюмины) Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18

сплавы А1-Мg-Si и А1-Сu-Мg-Si (авиали) АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8

сплавы А1-Сu-Мg-Fe-Ni АК2, АК4, АК4-1

сплавы А1-Сu-Мn Д20, Д21

сплавы Аl-Zn-Mg-Cu В93, В95, В96, В94

сплавы А1-Мg-Zn В92, В92Ц

сплавы Al-Cu-Mn-Li-Cd ВАД 23

Из перечисленных сплавов к свариваемым относятся: АД, АД1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, М40, Д20, ВАД1, В92Ц.

Самая значительная доля алюминиевых сплавов находит свое применение в упаковочной промышленности и транспортном машиностроении (см. Рис. 2), то есть там, где наиболее важны проблемы защиты пищевых продуктов от коррозии и снижения массы конструкций. Второе место по применению алюминиевых сплавов — строительство. Азия и Северная Америка потребляют суммарно более половины всех алюминиевых сплавов, что обусловлено массовым строительством жилых и административных зданий и бурным развитием транспортного машиностроения.1.3. Поверхностная оксидная плёнка.

При 1000ºС реакция окисления алюминия может протекать при очень низком парциальном давлении кислорода. Образующийся оксид алюминия Al2O3 покрывает поверхность деталей плотной и прочной плёнкой. При 20ºС процессы окисления алюминия протекают по параболическому закону. Оксидная плёнка плохо проводит электрический ток. Важной характеристикой оксидной плёнки алюминия является её способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Влага удерживается оксидной плёнкой до температуры плавления металла.

Коэффициент теплового расширения оксидной плёнки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в ней образуются трещины. При наличии в алюминии легирующих добавок состав оксидной плёнки может существенно меняться. Возникающая сложная оксидная плёнка в большинстве случаев является более рыхлой, гигроскопичной и обладает худшими защитными свойствами.

Ещё одной особенностью оксидной плёнки алюминия является её высокая плотность, вследствие чего в расплавленном металле сварочной ванны она опускается на дно и впоследствии может служить причиной дефектов шва — внутренних кристаллизационных трещин, особенно опасных при знакопеременном нагружении.

1.4. Свариваемость алюминиевых сплавов.

Сварные конструкции изготавливают из деформируемых сплавов, сведения о которых приведены в ГОСТ4784-74. Важнейшим показателем свариваемости алюминиевых сплавов является способность не образовывать при сварке горячих трещин. Сплавы, крайне чувствительные к горячему трещинообразованию, считаются несвариваемыми. 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 А1-Сu и А1-Сu-Мg (большинство относятся к дюралюминам) относятся к несвариваемым сплавам. Единственный свариваемый сплав А1-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 А1-Si (силумины), которые относятся к группе ограниченно свариваемых.

II. Химико-металлургические особенности сварки алюминиевых сплавов.

Оксидная плёнка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050ºС), оксидная плёнка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образование общей ванны. Вследствие высокой адсорбционной способности к газам и парам воды оксидная плёнка является источником газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Частицы оксидной плёнки, попавшие в ванну, а также часть плёнок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать оксидные включения в швах, снижающие механические свойства соединений и их работоспособность.

Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению оксидной плёнки 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 А12О3 восстановление алюминия из оксида в условиях сварки практически невозможно. Не удается также связать А12О3 в прочные соединения сильной кислотой или щёлочью. Поэтому действие флюсов для сварки алюминия основано на процессах растворения и смывания диспергированной оксидной плёнки расплавленным флюсом. В условиях электродуговой сварки в инертных защитных газах удаление оксидной плёнки происходит в результате электрических процессов, происходящих у катода (катодное распыление). В этих условиях возникает необходимость повышения требований к качеству предварительной обработки деталей перед сваркой с целью получения тонкой и однородной плёнки по всей поверхности свариваемых кромок. Для предупреждения дополнительного окисления и засорения ванны оксидами необходимо применять защитный газ высокой чистоты.

Водород, в отличие от других газов, обладает способностью растворяться в алюминии и при определенных условиях образовывать поры в металле швов. Растворимость водорода в алюминии изменяется при различных температурах. Концентрация растворенного в металле водорода [Н] зависит от давления молекулярного водорода, находящегося с ним в равновесии.

В реальных условиях парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе дуги ничтожно мало. Поэтому основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, является реакция взаимодействия влаги, содержащейся в окисной пленке с металлом. В результате протекания этой реакции концентрация атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, может соответствовать большому давлению молекулярного водорода, находящегося в равновесии с металлом. Поэтому 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. Поэтому основной мерой борьбы с пористостью при сварке алюминия является снижение концентрации растворенного в нем водорода до предела ниже 0,69-0,70 с м³ /100 г металла. Основным источником водорода, растворяющегося в металле шва при сварке, является влага, адсорбированная поверхностью металла и входящая в состав оксидной плёнки в виде гидратированных оксидов. Количество ее определяется состоянием поверхности металла и зависит от его обработки перед сваркой.

Предупреждению пористости при сварке алюминия может способствовать сокращение удельной поверхности присадочной проволоки за счет увеличения её диаметра и уменьшения доли участия присадочного металла в образовании шва. Рациональную обработку поверхности проволоки и основного металла применяют с целью уменьшения толщины оксидной плёнки и запаса имеющейся в ней влаги. Магний увеличивает растворимость водорода в алюминии, поэтому повышенная склонность к пористости при сварке алюминиево-магниевых сплавов объясняется другим механизмом образования пор. На поверхности сплавов, содержащих магний, присутствует оксидная плёнка, состоящая из окислов А12О3 и МgO. Такая плёнка имеет большую толщину, меньшую плотность из-за дефектов ее строения и больший запас влаги, чем плёнка из А12О3. В процессе сварки при расплавлении основного и присадочного металлов часть влаги, содержащейся во внутренних дефектах пленки, не успевает прореагировать. Попадающие в ванну частицы плёнки содержат остатки влаги, которая разлагается с выделением водорода. Образовавшийся в дефектах плёнки водород переходит в молекулярную форму и затем выделяется в жидком металле ванны в виде пузырьков, минуя стадию растворения. При таком механизме образования пор в качестве мер уменьшения пористости, кроме обычных, связанных с применением рациональной обработки поверхности проволоки и основного металла, а также сокращения удельной поверхности проволоки, участвующей в образовании шва, эффективной мерой борьбы с пористостью становится ужесточение режимов сварки. Однако при ужесточении режимов возникает опасность увеличения давления водорода в несплошностях, что затрудняет выполнение многослойных швов и подварку.

Кристаллическая структура металла шва определяет его механические свойства. Чистый алюминий при кристаллизации обладает способностью образовывать в металле швов грубую крупнокристаллическую структуру.

При сварке алюминиевых сплавов кристаллическая структура и механические свойства металла швов могут изменяться в зависимости от состава сплава, используемого присадочного металла, способов и режимов сварки. Для всех способов сварки характерно наличие больших скоростей охлаждения и направленного отвода тепла. При кристаллизации в этих условиях часто развивается дендритная ликвация, что приводит к появлению в структуре металла эвтектики. Эвтектика снижает пластичность и прочность металла. В связи с этим в швах возможно возникновение кристаллизационных трещин в процессе кристаллизации. Улучшение кристаллической структуры металла швов при сварке алюминия и некоторых его сплавов может быть достигнуто модифицированием в процессе сварки. Поэтому в качестве присадочного металла при сварке все большее применение находят специальные проволоки с добавками модификаторов. Введение этих элементов в небольших количествах позволяет улучшить кристаллическую структуру металла швов и снизить их склонность к трещинообразованию. Перемешивание металла сварочной ванны в процессе сварки с помощью внешнего магнитного поля также снижает склонность металла швов к трещинообразованию.

Свойства сварных соединений зависят также от процессов, протекающих в околошовных зонах. При сварке чистого алюминия и сплавов, неупрочняемых термической обработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и некоторое их разупрочнение, вызванное снятием нагартовки. Рост зерна и разупрочнение нагартованного металла при сварке изменяется в зависимости от способа сварки, режимов и степени предшествовавшей нагартовки сплава. Свариваемость сплавов А1-Мg осложняется их повышенной чувствительностью к нагреву и склонностью к образованию пористости и вспучиванию в участках основного металла, непосредственно примыкающих к шву. Способность этих сплавов образовывать пористость в зонах термического воздействия связывается с наличием в слитках молекулярного водорода. После обработки таких слитков (прессования или прокатки) в металле образуются несплошности в виде каналов или коллекторов, в которых водород находится под высоким давлением. Для проверки качества металла, предназначенного для сварки, рекомендуется проводить специальную пробу.

При сварке сплавов, упрочняемых термической обработкой, в околошовной зоне происходят изменения, ухудшающие свойства свариваемого металла. Измерение твёрдости и изучение структуры металла в зоне термического воздействия сплавов этой группы позволяют обнаружить в ней участки металла с различной степенью распада твёрдого раствора и коагуляции упрочнителя. Однако самым опасным изменением, резко ухудшающим свойства металла и способствующим образованию трещин,является оплавление границ зёрен. Появление жидких прослоек между зёрнами снижает механические свойства металла в нагретом состоянии и способствует образованию кристаллизационных трещин.

Независимо от способа сварки и исходного состояния металла в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зёрен. Ширина этой зоны меняется в зависимости от способа и режимов сварки. Наиболее широкая зона появляется при газовой сварке и более узкая — при способах сварки с жёстким термическим воздействием (дуговой). Распределение эвтектики в этой зоне изменяется в зависимости от исходного состояния сплава. В сварных соединениях, полученных при сварке закаленного сплава, эвтектика располагается в виде сплошной прослойки вокруг зёрен, в то время как в соединениях из отожжённого металла в залегании эвтектики появляются несплошности. Последующей термической обработкой не удается восстановить свойства металла в зоне, прилежащей к шву, что приводит к большому изменению прочности соединений и делает ненадежными эти соединения в эксплуатации.

Сплавы Д20, ВАД1, М40 и другие подобные имеют лучшую свариваемость. Особенно перспективными являются самозакаливающиеся сплавы тройной системы А1-Mg-Zn. При сварке этих сплавов удается получить соединения с прочностью до 80-90% от прочности основного металла в закаленном и состаренном состоянии.

Алюминий и его сплавы отличаются высокой тепло- и электропроводностью, что вызывает необходимость применения больших токов и мощных машин для электрической контактной сварки, особенно при точечной сварке. Для повышения эффективности нагрева и плавления целесообразно сваривать эти металлы при малой длительности импульсов тока или на больших скоростях при сварке плавлением.

Сварные конструкции из алюминия и его сплавов склонны к короблению, что объясняется относительно высоким коэффициентом теплового расширения. Снижение деформаций в конструкциях может быть достигнуто за счет использования технологических мероприятий (выбор соответствующего способа сварки, подбор оптимальных режимов, подогрев и др.).

III. Типы сварных соединений алюминиевых сплавов.

Типы соединений, применяемые при сварке алюминиевых сплавов, размеры и форма подготовки кромок в основном регламентированы ГОСТ 14806-80 и ГОСТ 23792-79. При сварке плавлением алюминиевых сплавов наиболее рациональным типом соединений являются стыковые, выполнить которые можно любыми способами сварки. Для устранения оксидных включений в металле швов применяют подкладки с канавкой рациональной формы или разделку кромок с обратной стороны шва, что в некоторых случаях обеспечивает удаление оксидных включений из стыка в формирующую канавку или в разделку.

Применение при сварке флюсов, наносимых на торцовые поверхности перед сваркой в виде дисперсной взвеси фторидов в спирте, также способствует уменьшению количества окисных включений в металле шва.

При разделке кромок угол их раскрытия необходимо ограничивать с целью уменьшения объёма наплавленного металла в соединении, а следовательно, и вероятности образования дефектов. Конкретный выбор конструктивных элементов подготовленных кромок свариваемых деталей, их размеров и размеров выполненных швов для основных типов соединений должен производиться согласно ГОСТ 14806-69.

Для точечной и шовной контактной сварки характерны нахлёсточные соединения, размеры которых установлены ГОСТ 15878-70. При этом соотношение толщин свариваемых деталей, как правило, не превышает 1:2. Для стыковой сварки оплавлением используются стыковые соединения. Форма деталей должна обеспечивать надёжное закрепление их в зажимах машины и токоподвод вблизи стыка. Площади сечения деталей в зоне соединения должны быть приблизительно одинаковыми.

IV. Применяемые методы сварки

Для сварки алюминиевых сплавов используются следующие методы сварки:

1) Газовая сварка.

2) Сварка штучными электродами с покрытием.

3) Сварка неплавящимся электродом в среде инертных защитных газов (TIG).

4) Сварка плавящимся электродом в среде инертных защитных газов (MIG).

5) Плазменная сварка (PAW).

6) Сварка плавящимся электродом по слою флюса. Наиболее распространёнными являются методы TIG, MIG и PAW, о которых в дальнейшем и пойдёт речь.

V. Сварочные материалы для алюминиевых сплавов

5.1. Газы и газовые смеси.

При дуговой сварки алюминия и его сплавов для предотвращения окисления используются инертные защитные газы — аргон или его смеси с гелием (гелий повышает температуру дуги и увеличивает проплавление). Особое внимание необходимо обращать на чистоту защитного газа: допущено применение аргона чистотой не менее 99,9% по ГОСТ 10157-73, сорта: высший, первый и второй. При сварке плавящимся электродом иногда применяют аргон с добавкой до 5% О2.Повышенное содержание влаги в защитном газе повышает вероятность образования дефектов сварки. Поэтому, если поставщик газов не может гарантировать их чистоту и влажность, рекомендуется применение газовых фильтров.

5.2. Неплавящиеся электроды.

Для сварки методом TIG используются неплавящиеся вольфрамовые электроды. Для алюминиевых и магниевых сплавов используются электроды:

марка WP чистый вольфрам 99,95% зелёная маркировка

марка WT 20 легирование 2% оксид тория ThO2 красная маркировка

марка WZ 10 легирование до 1% оксида циркония ZrO2 коричневая маркировка

марка WC 20 легирование 2% оксида церия CeO2 оранжевая маркировка

марка WL 20 легирование 2% оксид лантана LaO2 жёлтая маркировка

При этом электроды из чистого вольфрама являются более предпочтительными; электроды с цериевым легированием являются универсальными и могут использоваться для сварки как на переменном, так и на постоянном токе; лантанированные электроды применяются только для сварки на постоянном токе.

Одним из важнейших элементов качественной TIG сварки является подготовка неплавящегося электродов, которая неплавящихся электродов заключается в шлифовке стержня электрода и подготовке геометрии. Шлифовка стержня делается на заводе-изготовителе; шлифовка проводится в продольном направлении для исправления дефектов, возникающих при прокатке стержней. Подготовка геометрии заключается в заточке острия и проводится непосредственно перед сваркой. Чем острее заточен электрод, тем большим является давление электрической дуги. При заточке также важны направление заточки и определенная шероховатость острия электрода. Заточка электрода обязательно должна проводится вдоль оси электрода. Электроды, у которых заточка выполнена «поперек» и имеет сильную шероховатость, оказывают негативное влияние на острие электрода вследствие влияния надреза.5.3. Присадочные материалы.

Сварка с подачей присадочного материала рекомендуется как основной метод для алюминиевых сплавов. Подача дополнительного присадочного материала позволяет избежать газонасыщения и пористости металла шва и избежать повышенного содержания растворённого водорода в шве и околошовной зоне.

При дуговой сварке большинства соединений требуется проволока, металл которой заполняет зазоры, а также обеспечивает формирование шва в соответствии с размерами, установленными ГОСТ 14806-80. Кроме того, проволока позволяет изменять состав шва, что особенно важно при сварке различных алюминиевых сплавов. Требуемый для легирования состав проволоки выбирают с учетом химического состава свариваемых кромок и доли участия проволоки в образовании шва. При выборе присадочного металла следует также учитывать возможность появления в структуре металла швов различных химических соединений. При сварке сплавов алюминия, содержащих магний, с применением присадочной проволоки, содержащей кремний, в металле шва и особенно в зоне сплавления появляются иглообразные выделения Мg2Si, снижающие пластические свойства сварных соединений. Неблагоприятно влияют на свойства соединений из сплавов системы А1-Мg ничтожно малые добавки натрия, которые могут попадать в металл шва через флюсы.

Присадочным материалом служит сварочная проволока или присадочные прутки. Отечественная сварочная проволока в соответствии с ГОСТ 7871-75 состоит из:

чистого технического алюминия марки СвА99, СвА97, СвА85Т, СвА5

сплава Al-Mn марка СвАМц

сплавов Al-Mg марки СвАМг3, СвАМг5, Св1557, СвАМг6, СвАМг61, СвАМг63

сплавов Al-Si марки СвАК5, СвАК10 сплава Al-Cu марка Св1201

Кроме того, по специальным техническим условиям выпускают проволоку 1437 (алюминий, легированный хромом) и АВч (сплав алюминия с кремнием и магнием). За рубежом наиболее широко используется проволока марки 4043 (отечественный аналог СвАК5) и 5356 (отечественный аналог СвАМг5). Общим правилом при сварке алюминиевых сплавов является то, что металл сварочной проволоки должен примерно соответствовать по химическому составу металлу детали. Исключением являются сплавы алюминия с магнием, для сварки которых из-за интенсивного испарения магния при сварке следует использовать проволоку с содержанием магния большим, чем в детали.

Для сварки авиалей и ремонта и исправления дефектов отливок из низколегированного силумина широко применяется проволока СвАК5. Металл проволоки имеет относительно низкую температуру плавления и хорошую жидкотекучесть. По сравнению с проволоками из алюминиево-магниевых сплавов при сварке она дает меньше дыма и аэрозолей и поэтому облегчает визуальное наблюдение за сварочной ванной. Следует иметь в виду, что сварной шов этой проволоки имеет низкую пластичность.

Для сварки наиболее широко распространённых алюминиево-магниевых сплавов, а также для сваривающихся тройных сплавов алюминий-цинк-магний, используются проволоки СвАМг5 и СвАМг61. Ограничением в ее применении является то, что сварной шов не должен при эксплуатации подвергаться действию температур, превышающих 80ºС.В своё время промышленность не имела достаточного количества присадочных материалов для сварки алюминиевых сплавов, и в качестве присадки использовались прутки, изготовленные механической резкой непосредственно из отходов свариваемых листов (так называемая «лапша»), которые затем подвергались гальванической очистке или травлению. Такой подход является принципиально неправильным, так как не учитывает необходимость компенсации легирующих элементов, выгорающих при сварке — в первую очередь это касается магния и кремния, присутствующих в наиболее распространённых сплавах типа Al-Mg и Al-Si.

Поверхность алюминиевой присадочной проволоки не должна иметь следов стружки, задиров, трещин, рубцов, наплывов и прочих дефектов, в которых могут скапливаться загрязнения. Неудовлетворительное состояние поверхности проволоки, то есть присутствие на ней грязи, пыли, масляных пятен, приводит к образованию вредных примесей в процессе сварки, что, в свою очередь, может изменить характеристики горения дуги и снизить качество сварного шва. Также недопустимо изменение диаметра проволоки по ее длине (повышенные отклонения, овальность). Изменение диаметра проволоки даже в пределах диапазона допускаемых производителем отклонений может нарушить стабильность горения дуги и повлиять на основные параметры сварочного процесса — длины дуги (то есть напряжения), площади пятна нагрева (нарушение концентрации дуги) и его местоположения на стыке (неконтролируемые перемещения дуги по свариваемым кромкам). Перекрученная проволока и проволока с изгибами также может влиять на стабильность горения дуги.

Для сварки с ручной подачей присадочной проволоки обязательно использование специальных присадочных прутков, которые поставляются в герметичной таре и полностью готовы к использованию, то есть не нуждаются в дополнительной очистке или какой-либо иной подготовке. В тех случаях, когда упаковка прутков не была использована полностью в течение 2-3 часов, она должна быть герметично закрыта и храниться в сухом помещении при температуре 20-25ºС. Стандартная упаковка для присадочных прутков — обычно жестяная банка с пластиковой крышкой, которая обеспечивает удовлетворительные условия хранения в течение 2-3 суток после вскрытия.

При сварке с механизированной подачей присадочной проволоки катушки с проволокой должны обязательно иметь герметичную упаковку. Применяемая алюминиевая проволока должна иметь ровную рядную намотку на катушках и обязательно должна поставляться во влагонепроницаемой упаковке. Перед приобретением партии проволоки следует изучить опыт использования проволоки именно этого производителя, а при закупке обязательно запросить все необходимые сертификаты.

Также можно дать рекомендации по защите проволоки непосредственно во время сварки. Учитывая постоянное наличие в воздухе производственных помещений токопроводящей пыли, водяных и масляных паров, при сварке алюминия с механизированной подачей присадочной проволоки рекомендуется применять блоки подачи проволоки закрытого типа с горизонтальным расположением оси катушки с проволокой. Для дополнительной очистки проволоки перед входной втулкой механизма подачи проволоки можно закрепить мягкое пористое вещество (например, поролон), смоченное растворителем.

VI. Подготовка кромок деталей под сварку

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 щёлочного 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 60-70ºС, время обработки 4-5 мин.

Удаление поверхностной оксидной плёнки является наиболее ответственной операцией подготовки деталей. При этом в основном удаляют старую плёнку, полученную в результате длительного хранения и содержащую значительное количество адсорбированной влаги.

Оксидную плёнку можно удалять с помощью металлических щёток 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 не более 2-3 часов. При более широких масштабах производства поверхности деталей подвергают травлению. Широко применяют травление в щёлочных ваннах по следующей технологии:

1) обезжиривание деталей в растворителе;

2) травление деталей в ванне из водного раствора 45-50 г/л NаОН,

температура ванны 60-70ºС,

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 (60-80ºС), затем в холодной воде;

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

5) промывка в холодной проточной воде, затем в горячей (60-70ºС);

6) сушка горячим воздухом (80-90ºС).

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, оксид хрома. В процессе полирования проволоки температуру электролита поддерживают 95-100ºС. При перегреве электролита свыше 100ºС происходит растравливание поверхности, а при понижении температуры ниже 90ºС процесс полирования прекращается. Качество подготовки проволоки контролируют наплавкой технологических валиков с последующей оценкой пористости металла шва путем взвешивания.

VII. Общая концепция сварки TIG. Оборудование для сварки TIG

Наличие оксидной плёнки, обладающей высокой тугоплавкостью и плохой электропроводностью, весьма затрудняет сварку алюминиевых сплавов. Кроме того, алюминий имеет такое большое химическое сродство к кислороду, что механическая очистка поверхности основного материала перед сваркой действует в течение непродолжительного времени, после чего поверхности очень скоро вновь образуется оксидная плёнка Разрушение оксидной плёнки представляется довольно сложной задачей, требующей больших вложений энергии. Поскольку разрушить плёнку нагревом электрическим током сложно из-за её плохой электропроводности, можно прибегнуть к разрушению плёнки методом катодного распыления. Это обуславливает необходимость применения сварки на переменном токе.Сварка методом TIG — наиболее распространенный способ сварки, применяющийся для изготовления сварных конструкций из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Основным преимуществом процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа является отсутствие шлаковых включений, возможность работы на малых токах дуги (от 5 А), возможность сварки тонких листов, высокая устойчивость горения дуги во всем диапазоне токов, технологичность процесса.

При сварке TIG дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемым изделием. При этом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой промежуток, что облегчает условия горения дуги и обусловливает её высокую стабильность, исключает разбрызгивание расплавленного металла, сокращает потери на испарение и улучшает качество сварного шва за счёт ограничения взаимодействия расплавленного металла с газами столба дуги.

Сварка TIG на переменном токе открывается возможность разрушить и устранить оксидный слой при помощи носителей заряда в электрической дуге. Для этого подходят только ионы, поскольку электроны из-за своей малой массы не обладают достаточной для такого процесса кинетической энергией.

На рис. 7 показан поток носителей заряда в электрической дуге. Когда отрицательный полюс находится на электроде, электроны перемещаются от электрода к изделию, а остаточные ионы — от изделия к электроду. При такой полярности очищающий эффект невозможен. При обратной полярности более тяжёлые ионы возвращаются на поверхность изделия. При этом за счёт своей высокой кинетической энергии они могут разрушить и устранить оксидный слой на поверхности изделия.Если бы сварка выполнялась на горячем положительном полюсе, то у электрода была бы очень низкая токонесущая способность. Поэтому данный вариант сварки TIG применим только для сварки очень тонких алюминиевых конструкций (с толщиной стенки до 2,5 мм). Переменный ток предлагает компромиссное решение. Когда на электроде находится позитивная полуволна, возникает очищающий эффект. Следующая за ней отрицательная полуволна снова охлаждает электрод. Поэтому можно говорить об очищающей и охлаждающей полуволнах. Токонесущая способность при сварке переменным током меньше, чем при сварке постоянным током на отрицательном полюсе, но она значительно выше, чем при сварке на положительном полюсе.В настоящее время также применяют вариант сварки TIG на отрицательном полюсе, при котором используется защитный газ с высоким содержанием гелия (например, 90% He / 10% Ar). При сварке на отрицательном полюсе, как уже было описано, оксидная плёнка на поверхности не разрушается. Однако она расплавляется при высокой температуре мощной гелиевой дуги. Поэтому она лишь немного повреждается. Сварка TIG постоянным током на отрицательном полюсе в среде гелия благодаря лучшему проварy применяется, в первую очередь, при ремонтных сварках литых деталей из алюминиево-кремниевых сплавов.

7.2. Источники питания для сварки TIG

Питание дуги осуществляется переменным током от источников с падающими внешними характеристиками. Существует справедливое мнение, что сварку TIG необходимо производить на штыковых или крутопадающих внешних вольт-амперных характеристиках. Это обусловлено тем, что в указанном случае минимален пусковой бросок тока, что резко улучшает свойства сварного соединения. Переменный ток дуги при сварке алюминия обеспечивает разрушение окисной пленки. Для повышения стабильности горения электрической дуги и эффективного разрушения окисной пленки, кроме падающей внешней характеристики источника и постоянной работы осциллятора используют дополнительную индуктивность (дроссель) в цепи дуги (обеспечивает дополнительную ЭДС самоиндукции и не позволяет погаснуть электрической дуге). Осцилляторы выполняют две функции — бесконтактное зажигание электрической дуги и стабилизацию сварочного тока в момент прохождения через ноль специальными стабилизаторами, синхронизированными со сварочным током и включенными, как правило, параллельно электрической дуге. Последние устройства обычно совмещают с осцилляторами. Электрическая дуга горит между изделием и неплавящимся вольфрамовым электродом. Для повышения стабильности горения электрической дуги рекомендуется тщательно затачивать конец вольфрамового электрода. Симметричность тока обеспечивает равную проплавляющую и очищающую способность электрической дуги. Это самый простой и распространенный способ сварки TIG.

По сравнению со сваркой TIG симметричным током, сварка алюминиевых сплавов асимметричным переменным током расширяет технологические возможности за счет регулирования параметров тока прямой и обратной полярности. Как правило, регулировка асимметричности осуществляется в пределах 30% от амплитудного значения параметра. Преобладание составляющей тока прямой полярности приводит к увеличению глубины проплавления и скорости сварки, а также к повышению стойкости вольфрамового электрода. Преобладание тока обратной полярности улучшает очистку свариваемого металла от окисной пленки и улучшает качество формирования шва. Выбор правильного режима сварки в этом случае является задачей технолога.

В ряде случаев целесообразно использовать сварку TIG импульсной дугой. Подача импульсов осуществляется, как правило, с частотой до 50 или свыше 100 Гц и эти импульсы накладываются на базовое напряжение на дуге. Импульсы имеют остроугольную или прямоугольную форму и служат для улучшения формирования сварного шва (при частоте следования 1-50 Гц) и для улучшения удаления окисной пленки (при частоте следования более 100 Гц). Наиболее часто такие импульсы применяются при сварке тонколистового металла.

Генераторы импульсов тока являются основным блоком источника питания для импульсной сварки. Они включают в себя регуляторы нарастания/спада тока и осуществляют цикл сварки, показанный на Рис. 10. При такой схеме цикла сварки регулируются все составляющие цикла — IИ, IП, tН, tИ, tП, tК. Наиболее важной составляющей является tК; при плавном спаде тока в конце сварки происходит равномерная и качественная заварка кратера шва, что позволяет завершать сварку на самом изделии, не прибегая к трудоёмкой технологии установки выводных пластин. Этот же генератор управляет и открытием электромагнитного газового клапана и позволяет осуществлять предварительный (до зажигания дуги) и последующий (после гашения дуги) обдув защитным газом. При предварительном обдуве защитный газ вытесняет атмосферный воздух из зоны сварки, а последующий обдув газом позволяет завершить кристаллизацию и остывание металла шва в течение 3-5 сек после окончания сварки. Схема открытия газового клапана приведена на Рис. 11. При этом tпр и tпосл также можно регулировать.

Наилучшими сварочными свойствами обладают инверторные источники питания, основным элементом которых является полупроводниковый инвертор — устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное высокочастотное. Инверторные схемы строятся на быстодействующих тиристорах или транзисторах. По сути, в сварочной цепи течёт переменный ток высокой частоты (несколько десятков кГц, а иногда и МГц). Несущая частота сварочного тока обуславливает высокие сварочные свойства инверторных выпрямителей. Инверторы AC/DC, используемые при TIG сварке алюминиевых сплавов, имеют дополнительный блок — вторичный инвертор, осуществляющий дополнительное инвертирование сварочного тока.

Поскольку частота тока напрямую связана с массой магнитопроводов и потребным сечением проводов катушек, масса трансформаторов и дросселей в инверторных выпрямителях очень невелика (примерно в 10 раз меньше, чем масса трансформаторов и дросселей, рассчитанных на ток частотой 50 Гц) и составляет 0,1 ÷ 0,3 кг на 1 А сварочного тока и 4 ÷ 8 кг на 1 кВт потребляемой мощности. Инверторные выпрямители очень экономичны в эксплуатации; так как они не потребляют реактивной мощности, их коэффициент мощности cosφ близок к единице, а КПД не ниже 0,7, а иногда достигает 0,9.






Плазер, ООО, производственно-коммерческое предприятие - Елена