Глава 3 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Назад: 3.4.1 Подготовка металла под сварку и типы соединений.

3.4.2 Способы и особенности сварки

Газовая сварка применяется для неответственных тонколистовых соединений или ремонте отливок. Состав газовой смеси – нормальный с незначительным избытком ацетилена. Мощность пламени выбирается в зависимости от толщины металла. Для защиты от окисления металла газами пламени и удаления окислов с кромок при сварке применяют флюсы. Наиболее распространенным является флюс АФ-4А, вводимый или с присадочным прутком или наносимый в виде пасты на кромки перед сваркой. Состав флюса: 28 % NaCl, 50 % KСl, 14 % LiCl, 8 % NaF.После сварки остатки флюса удаляют промывкой в горячей воде. В качестве присадочного металла применяют проволоку или прутки из алюминия или его сплавов. Диаметр проволоки выбирают в зависимости от толщины (см. табл. 3.2). [19]

Таблица 3.2 – Выбор диаметра присадочной проволоки в зависимости от толщины кромок

S, мм	1,5	1,5-3,0	3,0-5,0	5,0-7,0	7,0-10,0
dпр, мм	1,5-2,0	2,0-3,0	3,0-4,0	4,0-4,5	4,5-5,5

При сварке листов S > 8-10 мм или при заварке дефектов литья рекомендуется подогрев изделия до Т = 250-300 ⁰С Механические свойства сварных соединений при газовой сварке ниже свойств основного металла (_{св. соед.} = (0,6-0,65) _в основного металла).

Дуговая сварка угольным электродом применяется, в основном, для соединения электрических шин и заварки дефектов литья. При толщине металла S < 2,0-2,5 мм сварку ведут без разделки кромок, а при больших толщинах – с разделкой или с гарантированным зазором. Сварка ведется постоянным током прямой полярности с использованием алюминиевых или угольных формирующих подкладок. Диаметры угольных электродов выбирают в зависимости от толщины и для S = 4-15 мм они составляют d_э = 8-15 мм. В качестве присадочных материалов используется алюминиевые прутки диаметром 4-8 мм. При сварке используют флюсы, аналогичные по составу флюсам для газовой сварки. Механические свойства соединений близки к основному металлу.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами применяется для малонагруженных конструкций из технического алюминия (АД0, АД1), сплавов АМц, АМг и силуминов (АЛ2, АЛ4). Сварка производится постоянным током обратной полярности, как правило, с подогревом до Т = 250-350 ⁰С с целью получения требуемого проплавления при умеренных токах сварки.

Основным типом соединения является стыковое. Соединения тавровые и внахлестку, как правило, не рекомендуются применять, из-за большого перегрева металла, роста зерна и коробления соединения. При необходимости их сварки катет шва должен быть не менее 5 мм. При толщине S = 4-20 мм разделка кромок, не требуется, но зазоры не должны быть более 0,5-1,0 мм. Сварка производится на стальных подкладках, а швы, как правило, двусторонние. Для больших толщин угол V-образной разделки составляет = 70-90 град., а зазоры в стыке – 1,5-2,0 мм.

Электроды перед сваркой просушиваются при Т = 150-200 ⁰С. Величина сварочного тока выбирается из соотношения I_св = (45-60)d_э. Прихватку кромок, как правило, производят с подогревом до Т = 200-250 ⁰С. Прихватки (или нижележащие слои) перед сваркой тщательно зачищаются от шлака и окислов.

Стержнями электродов для сварки технического алюминия являются проволоки марок СвА1, СвА5, СвАК5 (ГОСТ 7871-75), а для алюминиевых сплавов – проволоки СвАМц, СвАМг1, СвАМг3, СвАМг5, СвАМг6 и др.

В качестве электродных покрытий, основное назначение которых состоит в разрыхлении и возгонке окисной пленки, используются растворы хлористых и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaCl, KCl, LiCl, NaF) и криолит. Стандартом для сварки алюминия предусмотрено лишь 2 марки электродов (ОЗА-1, ОЗА-2). В табл. 3.3 представлены ориентировочные режимы ручной дуговой сварки алюминия и его сплавов.

Таблица 3.3 – Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки

Толщина, мм	Диаметр электрода, мм	Сварочный ток, А	Толщина, мм	Диаметр электрода, мм	Сварочный ток, А
до 3.0	3.0	80-130	8.0-10.0	6.0	300-350
3.0-5.0	4.0	150-180	8.0-15.0	8.0	350-400
5.0-8.0	5.0	250-320	15.0	10.0	430-450

Механизированная сварка по слою флюса, обеспечивающая глубокое проплавление, используется при изготовлении цистерн, котлов и емкостей толщиной S = 10-30 мм. В качестве флюсов используют смеси криолита Na3AlF6 с галогенидами NaF и хлоридами NaCl, KCl. Для технического алюминия наиболее применим флюс АН-А, а для сплавов системы Al-Mg – АН-4А. Флюсы обладают повышенной электропроводностью, шунтируют дугу и нарушают стабильное ее горение. Поэтому в процессе сварки строго контролируется высота и ширина насыпаемого перед дугой флюса (h_фл = 10-16 мм). Сварка ведется постоянным током обратной полярности с использованием стальных формирующих подкладок. Режимы сварки приведены в табл. 3.4. Подогрев кромок не требуется. Особенностью процесса, приводящего к непроварам, несплавлениям и порам, являются поперечные колебания конца электродной проволоки (из-за ее малой жесткости) относительно стыка. В этом случае сварка сдвоенным (расщепленным) электродом дает лучшие результаты за счет увеличения размеров ванны и времени ее пребывания в жидком состоянии. В последние годы разработаны флюсы, при использовании которых можно сваривать алюминиевые сплавы под слоем флюса (ЖА-64, ЖА-63А). При этом требования к точности сборки весьма высоки. Сварку ведут на флюсовой подушке постоянным током обратной полярности. В этом случае снижается опасность появления прожогов и снижается пористость швов, улучшаются условия труда сварщиков.

Таблица 3.4 – Ориентировочные режимы сварки по флюсу алюминия и его сплавов и механические свойства соединений

Марка		S, мм	dэ, мм	Марка флюса	hф, мм	Iсв, А	Uд, В	Vсв, м/ч	sв, МПа	Угол загиба , град
основного металла	Электрод металла
АМц	АМц	10	1.6-1.6	АН-А1	8-10	220-250	34-35	20-22	120-130	150-180
АМг6	АМг6	16	2.5-2.6	МАТИ-10	12-14	350-370	35-36	16-17	270-300	45-47
АД00	АД0	14	3.0	ЖА-64		550-600		13-14	Сварка расщ. электр.

Для электрошлаковой сварки используются флюсы АН-А301, АН-А302.

Сварка в защитных (инертных) газах и их смесях используется для ответственных соединений. В качестве защитного газа используют аргон первого и высшего сорта (ГОСТ 10157-73) или смеси аргона и гелия. Вид сварки – неплавящимся или плавящимся электродом – выбирается в зависимости от толщины металла, конструкции изделия и масштабов производства.

Преимуществом сварки неплавящимся вольфрамовым электродом является высокая устойчивость горения дуги и интенсивное разрушение окисной пленки (при сварке на переменном токе) за счет катодного распыления. Этот вид сварки целесообразен для металла S 12 мм при использовании W-электродов диаметром 2-6 мм. При этом для толщин S 3,0 мм сварка ведется без разделки кромок за один проход на стальной подкладке. При S = 4-6 мм сварку выполняют с двух сторон, а при S > 6 мм выполняют V-образную или Х-образную разделку кромок. Величина сварочного тока выбирается в зависимости от диаметра вольфрамового электрода, исходя из соотношения I_св = (50-55) d. Скорость сварки определяется необходимостью получения требуемой формы шва и обычно не превышает V_св = 8-12 м/ч.

Надежность защиты ванны зависит от расхода газа, диаметра и формы сопла горелки, расстояния сопла от изделия, условий доступа горелки к месту сварки, наличия сквозняков на участке.

Техника сварки характеризуется возвратно-поступательным движением присадочной проволоки, недопустимостью поперечных колебаний W-электрода, короткой дугой и малым вылетом W-электрода. Размеры ванны должны быть минимальными. Для сварки весьма малых толщин (S < 1,0 мм) успешно используют процесс импульсно-дуговой сварки переменным током, а для сварки больших толщин (до 20 мм) можно применить способ сварки погруженной дугой или использовать трехфазную дуговую сварку вольфрамовым электродом. Последняя обеспечивает необходимую регулировку тепловложения и получение требуемых параметров шва.

Для механизированной сварки используют токи большие, чем при ручной. Сварку выполняют за один или несколько проходов одно или двусторонними швами. Особенностью процесса является то, что присадочная проволока подается механизмом подачи таким образом, чтобы ее конец опирался на край сварочной ванны. Это позволяет уменьшить количество окисной пленки в ванне. Однако это требует весьма точной сборки под сварку, что удорожает сварку. Использование повышенных токов предусматривает применение W- электродов, легированных окислами иттрия или лантана (ЭВЛ-10, ЭВИ-2), что существенно повышает срок их службы. Для сварки термически упрочненных сплавов с целью уменьшения ширины зоны разупрочнения используют сварку на ассиметричном переменном токе от специального источника питания. Это позволяет увеличить проплавление при прямой полярности и улучшить катодную обработку ванны в период обратной полярности.

Ориентировочные режимы ручной дуговой и автоматической сварки неплавящимся электродом стыковых соединений приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5 – Ориентировочные режимы сварки алюминиевых сплавов W-электродом

Тип соединения	Толщина, мм	dw, мм	dпр, мм	Iсв, А	Рг, л/мин	Vсв, м/ч
1	2	3	4	5	6	7
Ручная сварка
Встык без присадки	2.0	2.0	–	80-100	6-7
Встык с присадкой	2.0	2.0	1-2	90-110	7-8	–
Встык с присадкой	4.0	3-4	2-3	120-180	8-10	–
Автоматическая сварка
Встык без присадки	2.0	2-3	–	80-120	8-10	20-40
Встык с присадкой	2.0	2-3	1-2	110-140	10-12	18-26
Встык с присадкой	4.0	4.0	2.0	210-230	12-15	16-20

Примечание. Напряжение на дуге U_д = 12-16 В.

Сварку плавящимся электродом в защитном газе используют при толщине металла S > 3,0 мм. При этом применяется постоянный ток обратной полярности, что обеспечивает, хорошее перемешивание ванны, разрушение крупных окисных включений и удовлетворительное формирование швов. Основным преимуществом способа является высокая производительность. Сварку можно вести как автоматическую, так и полуавтоматическую. Режимы автоматической сварки приведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6 – Ориентировочные режимы сварки алюминиевых сплавов плавящимся электродом

Толщина металла, мм	Вид подготовки кромок	Iд, А	Uд, В	Vсв, м/ч	dэ, мм	Рг, л/мин	Число слоев
8	V-образная разделка a = 60^0	260-290	20-25	20-30	2.0-2.5	13-15	2
10		280-320		20-25			2-3
15		200-375	24-26	18-22			2-3
20	Х-образная или U-образная разделка a = 60^0	295-390	26-30	15-21			4

При сварке в горизонтальном или потолочном положениях сварочный ток уменьшается на 10-15 %.

Использование импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом увеличивает производительность процесса, расширяет диапазон токов с направленным мелкокапельным переносом металла, улучшает стабильность дугового разряда и формирование швов, снижает уровень деформаций. Режимы сварки детально представлены в литературе. [19,20]

Основное преимущество плазменной и микроплазменной сварки состоит в высоких скоростях и стабильности процесса, сужении зоны термического влияния, существенном увеличении глубины проплавления и снижении деформаций. Однако оба указанных способа требуют повышенной точности сборки под сварку, специальных источников питания и часто особой конструкции горелок (сопел). [19]

При сварке термически упрочняемых высокопрочных алюминиевых сплавов основными проблемами являются образование трещин в шве и околошовной зоне и разупрочнение металла в зоне термического влияния. Эти обстоятельства обязывают более тщательно подбирать сварочные материалы (они часто отличаются по легированию от основного металла), особо контролировать режимы сварки, выбирать рациональный порядок наложения швов, использовать предварительный и сопутствующий подогрев. Коэффициент прочности сварных соединений составляет 0,5-0,65 [8], в то время как при сварке термически неупрочняемых алюминиевых сплавов типа АМц, АМr он может достигать 0,9-1,0. Повысить прочность соединения из упрочняемых сплавов можно послесварочной термической обработкой – закалкой с последующим старением или только старением.

В последние годы расширяется использование электронно-лучевой сварки алюминиевых (особенно термоупрочняемых) сплавов. Процесс сварки характеризуется более высоким к.п.д., разрушением и удалением окисной пленки, обезводораживанием ванны и снижением пористости, снижением времени пребывания в твердожидком состоянии и уменьшением кристаллизационных трещин, уменьшением степени разупрочнения высокопрочных сплавов. При этом сварка стыковых соединений S 20 мм выполняется за один проход, а механические свойства соединений близки к основному металлу.

Более подробную информацию об особенностях сварки алюминия и его сплавов можно получить в литературе [8,19,5].

Далее: Глава 4 МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ.