На данный момент существует устойчивая тенденция к росту потребления изделий из алюминия. Область применения чистого алюминия – в основном в электротехнической и пищевой промышленности; легкие алюминиевые сплавы являются перспективными конструкционными материалами в машиностроении. В плане изготовления сложных конструкционных решений сварка алюминия и ее качество очень важны, как и в плане восстановления литых изделий из этого материала.
В целом, сварка алюминия и его сплавов существенно отличается от сварки сталей, что обусловлено их различными свойствами.
Алюминий обладает высокой теплопроводностью, которая в 5 раз больше чем у сталей. Это приводит к тому, что тепло достаточно активно отводится от места сварки в свариваемые детали. Поэтому при сварке этого металла необходимы намного большие тепловложения по сравнению со сваркой сталей. Температура плавления алюминия низка, при нагреве происходит резкое снижение прочности. Существенно осложняет процесс и то, что алюминий не меняет при нагреве цвет, и не подсказывает сварщику, что почти нагрет до температуры плавления. Все эти специфические свойства алюминия весьма повышают вероятность прожога и расплавления всей детали. Также алюминий обладает по сравнению со сталями вдвое большей литейной усадкой, вследствие чего, при затвердевании металла сварочной ванны в нем развиваются значительные внутренние напряжения, которые нередко приводят к образованию многих дефектов, в том числе горячих трещин.
Залог высокого качества сварной продукции из алюминия – это тщательная подготовка поверхности деталей. Оксидная пленка и соединения – источники водорода являются главными источниками загрязнения поверхности деталей. Пленка обладает высокой тугоплавкостью, обладая большей плотностью по сравнению с алюминием. Поэтому при сварке пленка тонет в металлическом расплаве, при этом загрязняя сварной шов различными неметаллическими включениями. Есть два метода очистки поверхности алюминия от оксидной пленки – механический и химический.
Наличие водорода в области сварки также крайне нежелательно, потому что растворимость его в жидком расплаве алюминия намного выше, чем в твердом. Как следствие – шов становится пористым, с пониженной механической прочностью. Источником водорода может быть смазка, охлаждающая жидкость, нефтепродукты и влага. Удалять их можно, протирая поверхность растворителем. Влага же устраняется незначительным предварительным нагревом поверхности.
Чем стоит руководствоваться при выборе сварочных материалов? При ручной дуговой сварке технического алюминия применяются электроды ОЗА-1 и ОЗАНА-1, а для заварки дефектов литья в силуминах ОЗА-2 и ОЗАНА-2. В этих электродах в обмазке находятся хлоридные и фторидные соли, разрушающие оксидную пленку и способствующие устойчивому горению дуги. В других видах сварки алюминия и его сплавов (аргонно-дуговом и полуавтоматическом) для предотвращения окисления используется защитный газ аргон или его смесь с гелием. Гелий повышает температуру дуги и увеличивает проплавление. Для аргоно-дуговой сварки используются вольфрамовые электроды. Для сварки алюминия используются электроды большего диаметра, чем для сварки стали. Присадочным материалом чаще всего служит сварочная проволока. Отечественная сварочная проволока в соответствии с ГОСТ 7871-75 состоит из:
- чистого технического алюминия (СвА99, СвА97, СвА85Т, СвА5);
- сплава алюминий-марганец (СвАМц);
- сплавов алюминия с магнием (СвАМг3, СвАМг5, Св1557, СвАМг6, СвАМг63, СвАМг61);
- сплавов алюминия с кремнием (СвАК5, СвАК10);
- сплава алюминия с медью (Св1201).
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) следует использовать проволоку с содержанием магния большим, чем в детали.
При сварке алюминия, вследствие его специфических металлургических особенностей, предпочтение отдается стыковым соединениям. Сварку стыковых соединений с полным проплавлением выполняют на удаляемых прокладках с канавками, в которые стекает расплавленный металл вместе со шлаком.
При сварке разнотолщинных элементов рекомендуется иметь одинаковую толщину свариваемых кромок. Если все же это невозможно, то необходимо применить параметры сварки применительно к более толстой свариваемой детали, и в ходе процесса вводить в нее больше тепла. Низкая прочность (по сравнению с прочностью основной детали) околошовной зоны обусловлена тем, что нагартованный металл при нагреве в зоне сварки переходит в менее прочное отожженное состояние. Для термообработанных сплавов температура в зоне сварки значительно превышает температуру старения, что также приводит к существенному снижению прочности. Возможность восстановления высокой прочности термообрабатываемых сплавов после сварки существует - это повторная термообработка. Но это осуществимо только для малогабаритных сварочных конструкций. Другой возможный путь повышения прочности сварных конструкций - заведомое утолщение свариваемых кромок.
Для снижения вероятности образования горячих трещин следует при проектировании избегать близкого расположения сварных швов.
Предварительный подогрев применяется в первую очередь для удаления влаги, что препятствует порообразованию. Массивные детали желательно подогревать для снижения вероятности образования горячих трещин. Вследствие легкоплавкости алюминия температура предварительного подогрева должна быть небольшой – около 100°С. Также из-за низкой температуры плавления алюминия сварку во избежание прожогов необходимо вести быстро, с высокой скоростью перемещения горелки. В момент начала сварки изделие относительно холодное (даже при предварительном подогреве), поэтому сварку необходимо начинать при максимальной силе тока. После начала процесса часть вносимого тепла «идет впереди дуги», предварительно подогревая место предстоящей сварки, поэтому в это время требуется меньший ток. При приближении к концам свариваемых деталей фронту тепла становится некуда отходить, металл детали перегревается, и сварка может быть затруднена, если не уменьшить ток.
При сварке алюминия и его сплавов сварочный шов почти всегда заканчивается кратером. Это объясняется очень быстрым затвердеванием алюминия и высоким значением коэффициента его термического расширения. В результате вогнутая поверхность кратера при охлаждении сжимается и может порваться. При этом возможно даже разрушение сваренного изделия по шву. Поэтому необходимо заплавление кратера с образованием на его месте выпуклости, что достигается изменением движения дуги в конце сварки на противоположное с продолжением подачи проволоки..
В настоящее время из всех известных способов для сварки алюминия чаще всего применяются три: ручная, аргоно-дуговая, полуавтоматическая.
Ручная дуговая сварка осуществляется штучными электродами (ОЗА и ОЗАНА) на постоянном токе обратной полярности.
Способ аргоно-дуговой сварки вольфрамовым электродом в России применяется наиболее широко. В отличие от сварки сталей, ведущейся на постоянном токе, для сварки алюминия и его сплавов применяется процесс на переменном токе (для разрушения оксидной пленки). В последнее время наиболее популярны инверторные источники питания, с возможностью изменения частоты напряжения. Сварку тонкостенных алюминиевых деталей рекомендуется проводить на повышенной частоте, а заварку дефектов отливок - на пониженной.
Полуавтоматическая сварка алюминия и его сплавов более производительна по сравнению с аргоно-дуговой. Она выполняется на постоянном токе с положительной полярностью на электроде либо капельным переносом, либо в импульсном режиме. Сварка в импульсном режиме выполняется обычно инверторными источниками питания. При этом источник постоянно выдает базовый ток (достаточный для поддерживания дуги, но слишком низкий для обеспечения отрыва капель расплавленного металла от электрода и переноса их к сварочной ванне) и кратковременно выдает в виде импульсов ток больших значений, обеспечивающий контролируемый перенос капель металла от расходуемого электрода к изделию. Импульсный режим имеет преимущества перед капельным переносом, так как позволяет вести сварку во всех пространственных положениях, из-за меньшего тепловложения облегчает сварку тонкостенных изделий и уменьшает разбрызгивание. Особенностью полуавтоматической сварки алюминия и его сплавов является то, что алюминиевая проволока мягче стальной, поэтому подача ее более затруднительна. В связи с этим подача проволоки производится специальными устройствами.