В чем заключается особенность сварки алюминия
Перейти к содержимому

В чем заключается особенность сварки алюминия

  • автор:

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

В данной работе рассматриваются проблемы, возникающие при сварке алюминия и их решения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Брилев В.В.

Структурные аспекты длительного малоциклового разрушения сварных соединений дисперсионно-твердеющей стали

Система согласования скоростей оборудования при сварке внутренних кольцевых швов сосудов

Анализ электрических нагрузок Южного региона и техническое обоснование строительства третьего блока Волгодонской АЭС

Особенности технологии и работы сварочного оборудования при сварке алюминия
Релейные защиты от дуговых коротких замыканий и замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ»

Вестник магистратуры. 2019. № 1-2(88)

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ

В данной работе рассматриваются проблемы, возникающие при сварке алюминия и их решения.

Ключевые слова: алюминий, сварной шов, оксидная пленка, пористость, трещины.

В настоящее время алюминий и его сплавы применяют во многих областях промышленности и техники. Прежде всего алюминий и его сплавы используют авиационная и автомобильная отрасли промышленности. Широко применяется алюминий и в других отраслях промышленности: в машиностроении, электротехнической промышленности и приборостроении, промышленном и гражданском строительстве, химической промышленности, производстве предметов народного потребления.

Ввиду высокой теплопроводности алюминия рекомендуется предварительный подогрев начальных участков шва до температуры 120-150°С или сопутствующий подогрев. При сварке металла большой толщины этот процесс замедляет кристаллизацию сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости.

Сварные швы подвержены короблению, поэтому сварка данного металла требует надежного крепления свариваемых заготовок. Это связано с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости алюминия.

По теплопроводности данный металл уступает только серебру и меди, втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Вследствие низкой температуры плавления возникает высокая вероятность прожога свариваемого материала. Можно отметить, что алюминий практически не меняет своего цвета при нагреве, поэтому во время сварки сложно контролировать размеры сварочной ванны.

Пористость является одним из основных дефектов швов алюминиевых сплавов. Это связано с повышенной растворимостью газов в нагретом металле и задержкой их в нем при остывании. Данной способностью обладает водород, источником которого является влага. Необходима тщательная химическая очистка присадочного материала и механическая обработка с последующим обезжириванием свариваемых кромок.

При сварке в соединении могут образовываться горячие трещины. Это происходит в связи со столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкосплавных эвтектик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия. Для уменьшения вероятности появления трещин в сварные швы могут добавляться специальные модификаторы, улучшающие кристаллическую структуру шва.

При сварке алюминия стоит обратить внимание на возможность растрескивания образовавшего кратера на конце шва. Это связано с быстрым термическим расширением алюминия в ходе сварки и сужением при остывании. В случае вогнутых швов вероятность растрескивания возрастает, так как поверхность кратера по мере охлаждения сужается и трескается. Необходимо придать шву выпуклую форму для компенсации сжимающих сил.

Основной проблемой при сварке алюминия является его способность быстро покрываться на воздухе оксидной пленкой (А12О3), которая предотвращает дальнейшее окисление основного металла и служит гарантией отсутствия коррозии в легких условиях эксплуатации. Например, при сварке технического алюминия на поверхности деталей после химической обработки мгновенно образуется оксидное покрытие.

Оксидная пленка имеет температуру плавления 2050 °С, тогда как сам алюминий плавится около 650 °С. Имея большую плотность, чем алюминий, оксидное покрытие проникает внутрь шва через расплавленную ванну в виде включений, что ведет к снижению механических свойств шва.

Важнейшей характеристикой оксидной пленки является ее способность адсорбировать влагу, в особенности водяной пар, который может удерживаться окисным покрытием вплоть до температуры плавления металла. Влага в свою очередь является источником водорода, который вызывает пористость в сварных швах.

Для осуществления сварки алюминия применяются следующие меры.

Вестник магистратуры. 2019. № 1-2(88)

Независимо от применяемого способа, сварке должна предшествовать тщательная подготовка свариваемых кромок, цель которой — очистка последних от загрязнений и окисной пленки. Подготовка состоит из ряда операций:

Очистка и обезжиривание. Свариваемые детали и присадочный материал перед сваркой тщательно очищаются от грязи, масла и жира. Обезжиривание производят ацетоном, авиационным бензином, уайт-спиритом или иным подходящим растворителем.

Разделка кромок (при необходимости). Сварку деталей толщиной до 4 мм выполняют без разделки кромок, при большей толщине требуется разделка. Исключением из этого правила является сварка алюминия покрытыми электродами, при которой разделку кромок выполняют при толщине металла выше 20 мм.

Удаление оксидной пленки. Кромки деталей на ширине 25-30 мм зачищают наждачной бумагой, напильником или металлической щеткой из нержавеющей стали с диаметром проволоки не более 0,15 мм.

БРИЛЕВ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ — магистрант, Брянский государственный технический университет, Россия.

Особенности сварки алюминия и его сплавов

Особенности сваривания алюминиевых сплавов обусловлены их физико-химическими свойствами. Трудносвариваемость алюминия объясняется наличием окисной пленки на поверхности изделий. Данная пленка имеет высокую температуру плавления, при этом плавление самого металла осуществляется при температуре примерно втрое меньшей – 660 °С. Повышенная жидкотекучесть материла затрудняет процесс управления сварочной ванной. Это приводит к необходимости применения теплоотводящих подкладок.

За счет легкой окисляемости алюминия образуется тугоплавкая пленка на каплях расплавленного материала. Это создает трудности при соединении шва. Чтобы исключить образование пленки необходимо создать надежную защиту сварочной области от проникновения воздуха. Большая усадка материала может повлечь деформацию сварного соединения после затвердевания и окончательного охлаждения.

При сварке сплавов алюминия нужно учитывать склонность к появлению кристаллизационных трещин и пор. Это влечет ухудшение механических характеристик материала. По причине высокой теплопроводности приходится использовать большие рабочие токи. Их значение примерно вдвое больше чем для сваривания стальных изделий.

При сваривании алюминиевых сплавов используются различные технологии в зависимости от условий работы. Наиболее популярные способы сварки:

  • автоматическая дуговая с применением флюса. Подбор флюса должен быть тщательным. Уделяется внимание его составу, он должен быть сделан из химически чистых элементов;
  • аргонодуговая вольфрамовым электродом. Достоинство способа – в отсутствии необходимости применять флюс;
  • контактная стыковая с использованием специальных машин. В данном случае можно добиться непрерывного плавления материала;
  • технологичная точечная сварка;
  • шовное сваривание применяется при наличии оборудования достаточной мощности с ионными прерывателями.

Сваривание алюминия посредством электродов

Сварка алюминиевых сплавов предполагает тщательную подготовку металла к технологическому процессу. Это подразумевает профилирование свариваемых кромок, удаление окислов и поверхностных загрязнений. Удаление дефектов и обезжиривание поверхностей производится при помощи специальных щелочных ванн, органических растворителей. Применяется технический ацетон, уайт-спирит, растворители РС-1, РС-2.

Процесс обезжиривания алюминиевых изделий происходит в специальном водном растворе. Важной подготовительной работой считается удаление поверхностной пленки. Окисная пленка удаляется посредством металлических щеток. При завершении обработки кромки нужно еще раз обезжирить поверхность растворителем. Как только процедура зачистки завершена необходимо начать сварку деталей в течение трех часов.

Для получения шва хорошего качества металл подвергается нагреву. Подогрев с последующим охлаждением помогает исключить возникновение кристаллизационных трещин, сократить коробление. При сваривании больших деталей применяется метод локального подогрева конкретной сварочной области.

Особенности сварки алюминия

Алюминий — химически активный металл, трехвалентный во всех стабильных химических соединениях. Имеет высокое сродство к кислороду и соединяется с ним даже при нормальной температуре, образуя плотную и прочную окисную пленку Аl2O3, покрывающую поверхность металла и делающую его коррозионно стойким, особенно в кислых средах. Пленка Al2O3 имеет высокую температуру плавления (Тпл = 2050° С), кипения (Tкип = 3500° С) и плотность, большую, чем у расплавленного алюминия (γAl2O3 = 3,85 г/см 3 ). При сварке окисная пленка может погружаться в металл шва, в результате чего существенно ухудшаются его наиболее ценные свойства: коррозионная стойкость, электропроводность. При этом снижаются некоторые механические свойства, могут образоваться поры. В связи с тем, что наличие пленки Al2O3 на поверхности свариваемого металла и электродной проволоки неизбежно, то одной из наиболее важных и трудных задач, которые приходится решать при разработке способа сварки алюминия, является очищение металла сварочной ванны от Al2O3 и выведение ее в шлак.

Расплавленный алюминий и его сплавы взаимодействуют практически со всеми газами, составляющими атмосферу,— с кислородом, азотом, водородом, а также с Н2О, СО, СO2 и другими. Наблюдается как химическое взаимодействие с образованием окислов, карбидов, нитридов и других соединений, так и активное растворение газов в алюминии.

Растворимость карбидов, нитридов, сульфидов и окислов в алюминии незначительна, они образуют неметаллические включения в металле шва, существенно ухудшающие свойства последнего. Водород, хотя и не образует химических соединений с алюминием, но активно в нем растворяется и обычно занимает более 75% в общем объеме поглощенных алюминием газов. Однако в окружающем нас воздухе свободного водорода содержится сравнительно мало, и его наличием нельзя объяснить высокую степень насыщения алюминия этим газом. Основным поставщиком водорода в зону сварки являются водородосодержащие химические соединения, в том числе и вода, которая может находиться во флюсе, в защитных газах, в адсорбированном виде на поверхности свариваемого металла или электродной проволоки и т. д. При сварке открытой дугой парциальное давление водорода в реакционной зоне существенно повышается за счет влажности окружающей атмосферы. Насыщение водородом алюминия, вероятно, проходит двумя путями: 1) в результате диссоциации паров воды в дуге и растворения атомарного водорода в металле капель или сварочной ванны; 2) в результате химического взаимодействия расплавленного алюминия с парами воды:

При протекании этой реакции алюминий одновременно окисляется и насыщается водородом.

На основании приведенных выше кратких сведений о взаимодействии алюминия с газами окружающей атмосферы применительно к сварке алюминия можно сделать несколько принципиально важных замечаний:

1) все компоненты окружающей атмосферы в большей или меньшей мере оказывают отрицательное влияние на свойства металла шва;

2) для достижения высокого качества сварных соединений из алюминия или его сплавов необходимо разработать такой метод сварки, при котором реакционная зона была бы защищена от проникновения в нее атмосферных газов;

3) желательно создавать в реакционной сварочной зоне атмосферу, состоящую из пассивных по отношению к алюминию газов, не растворяющихся в нем;

4) целесообразно не только защищать в процессе сварки расплавленный металл от поглощения газов, но и производить активную его металлургическую обработку.

В процессе кристаллизации и охлаждения до нормальной температуры алюминий не претерпевает фазовых превращений и сохраняет крупностолбчатую дендритную структуру с преимущественным расположением загрязнений по границам кристаллитов. Такая структура, как известно, способствует образованию кристаллизационных трещин, вероятность возникновения которых еще более усиливается в связи с большим термическим коэффициентом объемной усадки, характерным для алюминия и его сплавов. Одной из радикальных мер, приводящих к повышению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин, является измельчение его первичной структуры путем модифицирования. Однако при использовании существующих методов сварки алюминия не всегда удается достигнуть этого эффекта.

Теплофизические и химические свойства алюминия таковы, что выбор технологического процесса сварки значительно ограничен. Так, например, из-за низкой температуры плавления (Tпл = 658° С), высокой жидкотекучести, малой прочности металла при температурах, близких к Tсол, сваривать алюминий толщиной более 8 мм можно только в нижнем положении и необходимо принимать меры для удержания расплавленного металла, чтобы исключить протекание его. Вследствие высокой тепло- и электропроводности алюминия необходимо применять для его сварки мощные концентрированные источники тепла.

Основанием для разработки специального керамического флюса и технологии механизированной сварки алюминия закрытой дугой послужила принципиальная возможность преодоления в этом случае указанных трудностей.

К.В. Багрянский. Электродуговая сварка и наплавка под керамическими флюсами. Киев, 1976 г.

Характерные особенности MIG сварки алюминия

Сварочные работы с таким материалом как алюминий являются весьма чувствительным процессом по сравнению со сваркой иных материалов. Это обусловлено физическими свойствами данного металла, вроде повышенной теплопроводности. По этой причине для получения качественных и надежных швов при MIG сварке алюминия необходимо учитывать все важнейшие переменные процесса.

Важно понимать тот факт, что изменение любого из параметров сварочного процесса способно негативно сказаться на качестве швов, следовательно, и на итоговом результате. Именно поэтому далее рассмотрим основные переменные и особенности MIG сварки алюминиевых конструкций и изделий.

Источник питания для MIG сварки

Современный рынок предлагает большое количество ИП для сварочного оборудования. Однако данные устройства разных типов и моделей не могут гарантировать идентичный результат даже с аналогичными настройками параметров режима сварки.

В случае с MIG сваркой алюминия специалисты рекомендуют использовать:

  • специальные выпрямители постоянного тока или напряжения;
  • импульсные синергетические или программируемые системы;
  • инверторные выпрямители.

Процесс МИГ сварки

В этих устройствах установленные производителем вольтметры и амперметры чаще всего не калибруются, что может вводить сварщика в заблуждение. По этой причине обычно используют параметры, которые запрограммированы разработчиками.

Механизмы, подающие проволоку

При MIG сварке используется алюминиевая присадочная проволока. В случаях, когда сварочное оборудование укомплектовано проволокоподающими механизмами цифрового типа, отображающими скорость поступления проволоки, следует выполнить проверку этих устройств. Дело в том, что нередко фиксировались значительные отклонения показаний, что является недостатком некоторых видов подобных устройств.

Решить данную проблему позволяют внешнее оборудование для калибровки, ориентированное на проверку скорости подачи проволоки. Оно позволит сварщику определить любое отклонение, которое способно спровоцировать отрицательный результат сварочных работ.

Говоря о проволокоподающих механизмах, необходимо упомянуть и о таком аспекте, как бесперебойная и равномерная подача проволоки на протяжении всего времени сварочных работ. Этот нюанс также вызывает беспокойства, поскольку стабильность подачи при работе с алюминиевыми изделиями – это важнейший фактор, который не столь важен в случае со сваркой иных металлов.

Так, стальная проволока выдерживает заметно большее воздействие механического типа, нежели аналог из алюминия, который ощутимо мягче и пластичнее, а потому легче деформируется и чрезвычайно восприимчив к строжке при подаче проволокоподающим механизмом. В связи с этим рекомендуется тщательно настраивать упомянутые устройства непосредственно перед MIG сваркой.

Неполадки проволокоподающих механизмов могут проявляться в виде пригорания проволоки к наконечнику и её нестабильной подачи. Дабы избежать подобных проблем следует изучить и понять принцип работы подающей системы, а также её влияние на сварочные процессы при работе с алюминием.

МИГ сварка алюминия ESAB

Настройка устройства подачи проволоки начинается с осмотра тормоза катушки, усилие которого можно понизить до минимума. Корректировка в данном случае должна быть ориентирована на создание такого усилия, которого хватит для предотвращения свободного проворота катушки при завершении сварочного процесса.

Проволокопроводы и штуцеры в рассматриваемых устройствах традиционно делают из стали. Но для сварки алюминия следует подбирать оборудование, к котором данные конструктивные элементы изготовлены из неметаллического материала или же имеют особое покрытие из нейлона или тефлона. Это позволит предотвратить образование задиров и снизить трение.

Что до прочих элементов конструкции, то ролики, приводящие проволоку в движение, должны иметь U-образную канавку без острых кромок и с гладкой поверхностью. Усилие данных механизмов следует тщательно скорректировать, дабы чрезмерное давление не приводило к деформации проволоки, затрудняя её продвижение по каналам к наконечнику.

Горелка для MIG сварки

Удлиненный шлейф сварочной горелки способен вызвать падение напряжения. Именно поэтому токопроводящий наконечник подбирается тщательно и кропотливо, как в плане качества, так и по внутреннему диаметру. Если последний чрезмерно большой, то следует ожидать образования большого расстояния между наконечником и проволокой, что может спровоцировать возникновение между ними дуги. Это приведет к пригоранию проволоки и износу токопроводящего наконечника. В лучшем случае изменятся параметры сварочной дуги, что скажется на качестве швов.

Подача защитного газа при MIG сварке

Нестабильная подача газа наблюдается в случае большой длины газоподающих каналов. В результате этого страдает стабильность горения сварочной дуги, что в случаях, когда применяется алюминиево-кремниевая присадочная проволока, особенно заметно.

Для обеспечения стабильности процесса MIG сварки алюминия газ лучше подавать посредством магистрали. Однако подобное решение может быть сопряжено с проблемами, возникающими в процессе отбора аргона из баллона.

Шов при МИГ сварке алюминия

Поверхность материала и присадочная проволока

Алюминий отличается от большинства металлов тем, что на его поверхности мгновенно образуется окисная пленка, которая может иметь разную толщину в зависимости от типа термообработки и способа хранения материала. Белый цвет пленки свидетельствует о продолжительном контакте с водой. А этот фактор может спровоцировать блуждание дуги и падение качества сварки.

Для эффективности сварочного процесса окисную пленку следует удалить с поверхности изделия непосредственно перед началом работ. Это позволит получить сварочный шов с нужными характеристиками.

Что до присадочной проволоки, но она должна быть гладкой и ровной, без трещин, задиров, стружки, наплывов, рубцов и прочих дефектов, способных накапливать грязь. Пыль и загрязнения, которые присутствуют на поверхности проволоки, могут спровоцировать образование нежелательных примесей, изменяющих параметры сварного шва и характеристики дуги.

Допускать изменения диаметра данного материала по длине также недопустимо, поскольку такие колебания нарушают стабильность сварочного процесса. При использовании MIG сварки алюминия механизированного или автоматизированного типа данная проблема является очень серьезным фактором.

Длина дуги при MIG сварке

Алюминий и сплавы на его основе отличается высокой теплопроводностью. По этой причине сварка нуждается в дополнительной энергии, необходимой для плавления основного материала и компенсации тепловых потерь. В данном случае необходимо учитывать длину дуги, колебания размеров которой влияют на отвод тепла, а также количество несплавлений и прожогов.

Рекомендованная длина дуги составляет порядка 12-15 миллиметров. Повышения этого параметра приводит к рассеиванию мощности. К тому же, предельно аккуратно следует относиться к корректировке положения и угла наклона горелки, которые оказывают влияние на длину сварочной дуги.

Работая с алюминиевыми сплавами, торец наконечника размещают на 3-8 миллиметров глубже, чем срез газового сопла. При большом рабочем напряжении данная дистанция выше, а при низких – минимальна. Указанная характеристика MIG сварки существенно влияет на передаваемую энергию и длину дуги.

Дуга при МИГ сварке алюминия

Марка сплава и геометрия изделия

Для каждой марки алюминиевого сплава, с которым предстоит работать, выбирает собственный режим сварки. Такой подход обусловлен отличием характеристик разных материалов. К примеру, сплав AA5083 характеризуется теплопроводностью, которая вдвое ниже, чем у аналога AA6063. Это значит, для сварочных работ нужно в два раза меньше тепла направить на плавление материала.

Еще больше внимания уделяется случаям, когда необходимо сварить разнородные материалы на основе алюминия.

Для деталей из одного сплава, но разной геометрии также подбирают режимы сварки индивидуально. Для толстых изделий нужно дольше тепла, а потому использование режима, который применялся для сварки тонких аналогов, может стать причиной брака. При создании сварных швов между элементами разной толщины требуется особая осторожность и мастерство.

Температура металла и окружающей среды

Температура поверхности алюминиевого изделия может влиять на качество сварного шва, что очень заметно при механизированной и автоматической сварке. Поэтому при температурах окружающей среды, к примеру, в 25 и 15 градусов по Цельсию, выбирают разные режимы сварки идентичного материала.

При формировании длинных швов или продолжительном сварочном процессе основной материал нагревается. По этой причине сварщик должен осуществлять свою работу, используя параметры сварки, в которых учтено данное изменение температуры.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *