Алюминий и его сплавы: особенности материала и проведения сварки

Немногим более века назад алюминий был редким и дорогим материалом. Из него не делали шин или рамы. Короткая история развития алюминия привела человечество к тому, что без этого металла не обходится ни одна сфера жизни, причем список областей применения постоянно расширяется. Объемы потребления алюминия растут с каждым годом. Популярность материала основана на его:

1. положительных механических характеристиках;

2. высокой коррозионной стойкости к воздействию влаги и агрессивных сред;

3. небольшом удельном весе (это один из самых легких конструкционных материалов) при высокой прочности (важно и для шин и для рамы).

Особенности и применение алюминия

Чистый алюминий имеет:

низкую твердость, но высокую пластичность;
отличную электропроводность и деформируемость;
высокую химическую активность и коррозионные свойства (быстро окисляется с образованием защитной поверхностной пленки с высокой плотностью, твердостью и температурой плавления).

Чистота, стойкость в окислительных средах и нетоксичность материала предопределили широкое применение его в пищевой и медицинской промышленности. Из него даже делают сосуды для транспортировки и получения азотной кислоты и пр.

Из-за низкой прочности чистый алюминий редко используется как конструкционный материал при производстве рамы, трубы и т.д. Как правило, в чистом виде он требуется в электротехнической, химической и пищевой промышленности при производстве шин, проволоки и другого электропроводного материала и элементов. В сплавах с магнием, медью, цинком, кремнием и пр. этот легкий металл становится прочным и получает хорошие технологические свойства. Из сплавов выпускают уголки, рамы, профиль и пр.

Рост потребления изделий из алюминия и его сплавов стабилен. Налажено производство алюминиевой:

проволоки;
фольги;
чушек;
шин;
лент;
листов;
плит;
прутков;
рам;
профиля и пр.;
кровли;
сварных конструкций различного назначения.

Чистый алюминий, как правило, применяется в электротехнической (высока востребованность алюминиевых электротехнических шин, проволоки и пр.), пищевой и медицинской промышленности. В машиностроении используют изделия из легких алюминиевых сплавов. Алюминиевые рамы популярны при изготовлении транспортных средств.

Это перспективный во всех отношениях конструкционный материал. В конструкциях применяют полуфабрикаты — листы, профили, рамы, трубы и др. из деформируемых сплавов. При изготовлении более сложных по конструкции решений или при проведении восстановления поврежденных литых изделий (рамы и пр.) требуется сварка алюминия, которая ведется разными способами. Приоритетный выбирается в зависимости от целей, задач и вида сплава. Основная цель сварки — достижение высокого качества и прочности соединения.

Особенности плавления и сварки алюминия

Алюминий легко подвергается обработке под давлением в состоянии холодном и горячем. Сварка алюминия и его сплавов принципиально отлична от сварки стали Алюминий имеет высокую теплопроводность. Она в пять раз выше, чем у сталей, а потому и тепло активно отводится от свариваемого места. В связи с этим требуется обеспечение высоких вложений тепла.

У алюминия низка температура плавления и в процессе нагрева существенно снижается прочность. Это затрудняет быструю сварку из-за малой глубины провара, требует применения тока максимальной силы в начале с постепенным его снижением к концу сварки.

Текучесть расплавленного металла затрудняет управление сварочной ванной. При сварке приходится применять теплоотводящие подкладки. Очень мало времени необходимо для застывания сварочной ванны, что приводит к неполному газовыделению, образованию пор в шве, плохому соединению.

Дополнительная сложность состоит в том, что этот легкий металл при нагреве не изменит цвет, т.е. сварщик не получает визуальную информацию о достигнутой температуре. Такая специфика повышает риски повреждения и прожога шин, ленты, рамы, прочих элементов в процессе сварки.

Еще одна особенность алюминия в сравнении со сталями состоит в том, что при плавлении его литейная усадка в два раза выше. При затвердевании материала сварочной ванны развивается внутреннее напряжение. Следствием напряжений становится появление дефектов, включая горячие трещины. Склонность к их образованию приводит к ослаблению шва.

За поры ответственен растворенный в алюминии водород, стремящийся выйти из металла наружу. Трещины больше характерны для сплавов алюминия, они возникают при охлаждении металла из-за повышенного содержания кремния. Чтобы избежать осложнений, применяют:

более высокую в сравнении со сваркой стали силу сварочного тока;
предварительный нагрев заготовки, полуфабриката, рамы, шины, прутка, проволоки, пр.;
защитный газ или газовую смесь.

Особенности выбора материалов и сварочной проволоки

Сварочные материалы выбирают в соответствии с типом сварки. Если предстоит сварить технический алюминий с помощью ручной дуговой сварки, используют электроды ОЗА-1 и ОЗАНА-1. В том случае, если будет завариваться неровность литья или трещины в силуминах, используют электроды ОЗА-2 и ОЗАНА-2, в обмазке которых присутствуют хлоридные и фторидные соли. Эти компоненты не только обеспечивают устойчивую дугу, но и позволяют ликвидировать оксидную пленку.

В полуавтоматическом виде сварки алюминия и его сплавов применяют защитный газ или газовые смеси, а при аргоно-дуговой сварке — вольфрамовые электроды. Сварка алюминиевых труб и других изделий из алюминия проводится обычно встык из-за особенностей металла. Для создания стыковых соединений, где обеспечивается полное проплавление, потребуются удаляемые прокладки с канавками. По ним стечет расплавленный металл и шлаки.

В качестве присадочного материала, как правило, используется сварочная проволока, которая может состоять из чистого технического алюминия или сплава алюминия с:

марганцем;
магнием
кремнием;
медью.

При сварке алюминиевых сплавов металл сварочной проволоки необходимо подбирать соответственно химическому составу детали, за исключением сплавов алюминием. При данной ситуации проволока должна содержать больше магния, чем деталь.

Алюминиевая проволока считается довольно сложным материалом. Это касается как ее использования, так и хранения. Если герметичная упаковка вскрывается, рекомендуется использовать проволоку своевременно, поскольку после вскрытия начинается быстрое окисление материала с образованием слоя Al₂O₃. Температура его плавления в разы выше, что затрудняет сварку.

Хранение во вскрытой упаковке — это гарантия снижения качества проволоки. Ухудшение прогрессирует, если проволока оказывается во влажной среде. Образовавшийся на поверхности изделия слой оксида алюминия необходимо удалять. Очищающий эффект достигается в момент сварки при положительной поляризации. Место будущего сварного шва на всех деталях и элементах, проволоке, трубах, рамах и пр., непосредственно перед проведением сварки тщательно освобождается от любых загрязнений — удаляется жир, пыль и так далее.

Способы сварки алюминия

Сварка алюминиевых сплавов и алюминия проводится несколькими способами. Ее ведут с применением специализированного оборудования и сварочных материалов. Зона сварки защищается инертными газами или флюсами. Среди способов выделяются:

сварка аргоном

сварка вольфрамовым электродом с использованием инертных газов (это специальные электроды для сварки алюминия — большего диаметра, нежели для сварки стали);
сварка штучными электродами без использования защитного газа (ручная);
более производительная сварка алюминия полуавтоматом в среде инертных газов (проволока при такой сварке подается автоматически).

Постоянным током прямой полярности алюминий не сваривается. Для проведения сварки требуется переменный или постоянный ток обратной полярности: при наличии катодного распыления образовавшаяся оксидная пленка разрушится, что необходимо для сваривания алюминия и его сплавов. При прямой полярности не происходит катодное распыления, а потому и пленка остается на проволоке и прочих элементах — рамах, уголках, листах и так далее.

Подготовка металла к сварке

Независимо от применяемого способа, сварка алюминиевых проводов, труб и других конструкционных элементов проводится только после тщательной очистки — подготовки свариваемых кромок, которая является залогом высоких результатов сварки. Для этого необходимо непосредственно перед началом процесса провести:

очистку от грязи и обезжиривание всех свариваемых деталей и присадочного материала с помощью любого подходящего растворителя (ацетон, авиационный бензин, Уайт-спирит и пр.);
при необходимости — разделку кромок (не требуется при сварке деталей до 4 мм толщиной; при сварке покрытыми электродами — разделка только при толщине материала более 20 мм);
при необходимости — отбортовку (для элементов из тонкого листа);
удаление Al₂O₃ механическим (кромки зачищают напильником, щеткой металлической, наждачной бумагой) или химическим методом;
удаление влаги с помощью легкого предварительного прогрева;
предварительный прогрев массивных деталей для снижения вероятности образования горячих трещин.

В связи с тем, что температура плавления алюминия низка, сварку следует вести быстро, с высокой скоростью перемещения горелки. Это позволяет избежать прожогов. Даже при проведении правильного предварительного прогрева при начале сварки любое изделие (проволока, рамы и пр.) остается относительно холодным, а потому сварку начинают при максимальной силе тока.

Далее силу тока уменьшают, поскольку часть тепла пойдет перед дугой, прогревая место сварки. Более того, если не уменьшить ток, процесс затруднится из-за того, что фронт тепла приблизится к концу деталей, а далее ему некуда будет деваться.

При сварке алюминия или сплавов металла в конце сварочного шва появляется кратер. Связано это с тем, что металл быстро затвердевает при высоком значении коэффициента термического расширения. Вогнутая поверхность кратера сжимается. Может произойти ее разрыв вплоть до разрушения уже готового изделия по сварному шву. В связи с этим требуется провести за плавление кратера. На его месте должна образоваться выпуклость. Добиться такого эффекта позволяет изменение в самом конце сварки движения дуги на обратное при продолжении подачи проволоки.