Особенности сварки алюминия

1.2. Конструктивные и технологические особенности сварки алюминия .

Как было сказано выше, из-за большого коэффициента теплопроводности и линейного расширения алюминия, существенно искажается форма, и изменяются размеры сварных конструкций из алюминиевых сплавов. Поэтому, необходимо использовать конструктивные и технологические методы уменьшения сварочных деформаций вне зависимости от выбранного вида сварки.

Конструктивные способы уменьшения деформаций и напряжений предусматриваются при проектировании сварного соединения. К ним относятся уменьшение количества сварных швов в изделии, симметричное расположение ребер жесткости, швов, косынок. Для уравновешивания деформаций припуски деталей на усадку должны быть равны усадке с тем, чтобы размеры конструкции после сварки соответствовали проектным. Необходимо предусматривать возможность использования зажимных сборочно-сварочных приспособлений для предотвращения смещения свариваемых кромок относительно друг друга в процессе сварки. Повышенная склонность к деформации свариваемых соединений алюминия и его сплавов способствует появлению в них горячих трещин. Особенно склонны к образованию горячих трещин стыковые швы, близко расположенные друг к другу из-за пересечения зон термического влияния. Необходимо конструктивно располагать швы на максимально возможном удалении друг от друга. Если нельзя разнести швы, соединяемые элементы изготавливают как единое целое (рис.1.4). а) б)

Рис.1.4. Конструкция соединения близко расположенных патрубков с листом

а – не рекомендуемая; б рекомендуемая

Отличительной чертой сварки алюминия является то, что описанные выше конструктивные способы необходимо применять в совокупности с описанными в предыдущем разделе методами удаления окисной пленки из сварного соединения. Это наглядно иллюстрируется на примере соединения трубы с трубной доской (такие устройства широко применяются как теплообменники в энергетике и представляют собой два круглых фланца с просверленными в них отверстиями, в которые вставлены теплообменные трубки). На рис.1.5 показаны различные виды соединения трубы с трубной доской.

Рис.1.5. Соединение трубы с трубной доской

а) замковое; б) стыковое с канавкой, полученное гибкой; в) стыковое с канавкой, полученной резанием.

На рис.1.5 а показано соединение трубы с трубной доской, где наклонная канавка выполняет две функции: первая функция – удаление окисных пленок, вторая функция – создание равнотолщинности сварного соединения (сварка выполняется по кольцу с торцевой верхней поверхности). На рис.1.5 б, в показан другой вид соединения, где кольцевая канавка служит для удаления окисных пленок, а кольцевая проточка в трубной доске – для обеспечения равнотолщинности сварного соединения (сварка также выполняется с торцевой поверхности по кольцу). Вообще, в связи с низкой температурой плавления для алюминия проблема равнотолщинности очень актуальна. Это вызвано тем, что для высококачественного сварочного соединения необходимо проплавить обе сопрягаемые поверхности. Из-за низкой температуры плавления более тонкая деталь может просто расплавиться. Поэтому, свариваемые кромки разнотолщинных элементов должны иметь одинаковую толщину. На рис.1.6 показаны варианты стыкового соединения разной толщины. а) б)

Рис.1.6. Стыковое соединение металла разной толщины

а – допускаемое; б рекомендуемое

Для стыковых соединений ширину утоненной части более массивного элемента можно ориентировочно определить по формуле [8] где S1, S2 – толщины свариваемых соединений, l – длина утоненной части.

Не менее важны технологические меры уменьшения деформаций. Необходимо подобрать оптимальный режим сварки, с тем, чтобы зона термического влияния была минимальной. Для этого стремятся использовать методы сварки, обеспечивающие высокую концентрацию энергии в дуге, а соединения сваривают на повышенных скоростях. На деформацию соединения существенно влияет порядок выполнения швов. При выполнении швов большой протяженности целесообразно использовать обратно-ступенчатый способ сварки. Сварку конструкций, имеющих несколько последовательно расположенных швов, целесообразно начинать со среднего шва, а затем поочередно, с каждой стороны, выполнять остальные швы, двигаясь к краям конструкции. Также необходимо учитывать, что соединения со скосом кромок более склонны к деформации, чем без скоса кромок и соединения с симметричной двусторонней разделкой кромок менее склонны к деформациям, чем с односторонней разделкой кромок. Для предотвращения продольного прогиба соединений применяют предварительный обратный выгиб свариваемых элементов, который подбирают опытным путем.

Для устранения остаточных деформаций применяют ударную и тепловую правку. Чтобы не повредить поверхность, алюминиевые соединения правят ударами резиновых и деревянных молотков. Правку стальными молотками можно выполнять только через алюминиевые или деревянные подкладки. Тепловую правку применяют для тех алюминиевых соединений, работоспособность которых не ухудшается сопровождающим нагрев разупрочнением, например, при правке малонагруженных элементов или конструкций из отожженного металла. Максимальная температура подогрева должна быть не выше температуры отжига для применяемого алюминиевого сплава.

К числу технологических особенностей сварки алюминия необходимо отнести и предварительный подогрев. Он имеет важное значение в виду того, что окисная пленка на поверхности свариваемых алюминиевых металлоконструкций прекрасно адсорбирует влагу и необходимо применять меры по удалению этой влаги. Если этого не делать, то в сварном соединении могут возникнуть дефекты. Поэтому, свариваемые кромки перед сваркой подогревают, используя газовые горелки (восстановительное пламя), горячий воздух или электроконтактные нагреватели.

Температура и время подогрева зависят от марки и толщины свариваемого металла (табл.1.1). Температуру контролируют с помощью контактных термопар или термокарандашей.

Таблица 1.1

Максимальная температура подогрева некоторых алюминиевых сплавов. [8]

1.3. Материалы для сварки алюминия и его сплавов.

Сварочная проволока. 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. Для дуговой сварки в инертных газах содержание каждого элемента в проволоке можно рассчитать из уравнения [8]

где СП – расчетное содержание элемента в проволоке; С0 – содержание элемента в свариваемом металле; СШ – содержание элемента в металле шва; kY – суммарный коэффициент усвоения элемента металлом шва при сварке; .П – доля проволоки в металле шва.

Доля проволоки в металле шва зависит от типа соединения, толщины свариваемых кромок, формы и размеров шва, зазоров.

Под действием высоких температур часть легирующих элементов улетучивается с поверхности расплавленного металла сварочной ванны и электродной проволоки. Эти потери учитывает суммарный коэффициент усвоения элемента металлом шва, который учитывает, какое количество данного элемента перешло в шов. Величина потерь зависит от способа и режима сварки, физико-химических свойств элемента и его содержания в проволоке. Обычно коэффициент усвоения kY определяют экспериментальным путем, сравнивая фактическое содержание элемента в шва с расчетным.

Определенный по уравнению состав проволоки чаще всего не совпадает с составом проволок, выпускаемых промышленностью. В связи с этим для сварки подбирают ту марку проволоки, у которой состав наиболее соответствует расчетному.

С введением легирующих элементов прочность металла шва повышается, а пластичность и коррозионная стойкость снижаются. Для большинства алюминиевых сплавов суммарное содержание в шве или зоне сплавления 5-8% легирующих элементов достаточно, чтобы по границам зерен образовался сплошной ободок из вторичных фаз. При такой структуре дальнейшее легирование не только не увеличивает, а даже несколько снижает прочность в результате концентрации напряжений по малопластичным вторичным фазам. Таким образом, для получения пластичных коррозионно-стойких соединений алюминиевые сплавы целесообразно сваривать менее легированными проволоками. Когда требуются сварные соединения повышенной прочности, наоборот, применяют более легированные проволоки с суммарным содержанием легирующих элементов не выше 6 –7%.

Наличие максимума трещинообразования при сварке алюминиевых сплавов в каждой системе легирования определяет выбор проволоки, способной обеспечить соединениям повышенную стойкость против трещин. Чтобы повысить стойкость соединений против образования горячих трещин, при сварке сплавов менее легированных, чем сплав с максимальным показателем трещинообразования, применяют проволоку с пониженным содержанием легирующих элементов, тогда как более легированные сплавы сваривают проволоками с более высоким содержанием легирующих элементов.

В зависимости от предъявляемых к соединениям требований, для сварки каждого из алюминиевых сплавов обычно применяют несколько марок проволок. Наиболее простым подходом является применение универсальной проволоки, которая обеспечивает сварным соединениям достаточно высокие значения всех основных характеристик: стойкость против горячих трещин, прочность, пластичность и коррозионную стойкость. Остальные рекомендованные проволоки обеспечивают соединениям повышенные значения одной из названных характеристик при удовлетворительных значениях всех остальных (табл. 1.2.).

Таблица 1.2.

Рекомендуемые марки проволок для сварки распространенных алюминиевых сплавов.

Проволока может применяться в двух назначениях:

как электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке в защитных газах (в шведском стандарте называется «Autrod»)

как присадочный материал при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом (в шведском стандарте называется «Tigrod»)

Применяют также импортную сварочную проволоку фирмы «ESAB» (Швеция), (табл.1.3).

Таблица 1.3

Рекомендуемые марки проволок фирмы «ESAB» для сварки распространенных алюминиевых сплавов [4].

2. Обзор наиболее распространенных способов сварки алюминия и его сплавов .

Для алюминия и его сплавов применяют практически все промышленные способы сварки плавлением. К основным методам сварки относятся: ручная дуговая сварка покрытыми электродами (ММА), аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки (ТIG),плазменная сварка, полуавтоматическая сварка в защитном газе – бывает как минимум четырех разновидностей (импульсная полуавтоматическая сварка, традиционная полуавтоматическая сварка, полуавтоматическая сварка с управляемым массопереносом на инверторном источнике питания, полуавтоматическая сварка на источниках питания типа ВД-306ДК с комбинированной вольтамперной характеристикой). Другие виды сварки алюминия и его сплавов, такие как автоматическая сварка под слоем флюса и газовая сварка применяются значительно реже и рассматриваться не будут. Каждый способ сварки имеет свои особенности, которые необходимо учитывать для наиболее эффективного их использования при изготовлении изделий различного назначения.

2.1 . Ручная дуговая сварка покрытыми электродами алюминия и его сплавов .

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применяют при изготовлении конструкций из технического алюминия, сплавов АМц и АМг, содержащих до 5 % магния, а также силумина. Толщина свариваемого металла лимитируется диаметром электрода. Минимальный диаметр электрода обычно составляет 4 мм, что вызвано трудностями сварки электродами малого сечения вследствие высокой скорости их плавления. Алюминиевый электрод расплавляется в 2-3 раза быстрее стального. В связи с этим толщина свариваемого металла должна быть свыше 4 мм.

Наиболее приемлемым типом сварного соединения для алюминия является стыковое. Соединений внахлестку и тавровых избегают, так как возможно затекание шлака в зазоры, из которых его трудно удалить при промывке после сварки. Наличие шлака в зазоре может вызвать коррозию металла. Поэтому, этот метод сварки алюминия наиболее редко применяется в промышленности. Отличие от ручной дуговой сварки стальных металлоконструкций заключается в том, что алюминий имеет значительно более высокую теплопроводность, чем сталь (см. п.1). Это приводит к тому, что шлак при ручной дуговой сварке не успевает, в ряде случаев, удаляться из расплавленного металла сварного соединения ввиду малого времени нахождения сварочной ванны в расплавленном состоянии и остается в соединении в виде дефектов.

Защитные (инертные) газы. Для защиты расплавленного металла сварочной ванны и проволоки при сварке алюминия и его сплавов применяются инертные газы и их смеси: аргон высшего или первого сорта по ГОСТ 10157 –79 и гелий особой или высокой чистоты по ГОСТ20461-75. Инертные газы аргон и гелий поставляются в баллонах.

Вольфрамовые электроды. Вольфрам – самый тугоплавкий из известных металлов (по температуре плавления он уступает только углероду). Температура плавления вольфрама равна 36000С, удельный вес 19,3 г/см3, он обладает весьма малой летучестью при высоких температурах и имеет низкий коэффициент теплопроводности. Вольфрамовые электроды изготавливаются по ГОСТ 23949-80. Они различаются по легированию, которое уменьшает работу выхода электронов и соответственно срок службы электродов. Электроды бывают чистые (ЭВЧ), лантанированные(ЭВЛ), иттрированные (ЭВИ), торированные (ЭВТ). Характеристики наиболее распространенных электродов в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Характеристики наиболее распространенных электродов [8]

Электроды, применяемые при аргонодуговой сварке необходимо затачивать. Это повышает стабильность работы аргонодуговой установки и качество сварного соединения.

Покрытые электроды. Для сварки алюминия и его сплавов применяют следующие наиболее распространенные марки покрытых электродов, производства России и других стран [4,5]:

Электрод Свариваемый сплав

ОЗА 1 Технический алюминий

ОК 96.10 («ESAB») Технический алюминий

ОЗА2 Литой сплав типа АЛ-4

ОК 95.50 («ESAB») Литой сплав типа АЛ-4

МВТУ Сплавы типа АМц

АФ1 Сплавы типа АМг, АМц

ОК 96.20 («ESAB») Сплавы типа АМг, АМц

А1Ф Сплавы типа АМц, силумин

Состав электродных покрытий для сварки алюминия и его сплавов для некоторых из перечисленных марок электродов приведен в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Состав некоторых электродных покрытий для сварки алюминия и его сплавов, мас. % [5]

С течением времени при хранении электроды увлажняются, поэтому перед сваркой их необходимо подсушить при температуре 150 – 200 0С.

Сварочные флюсы. Для полуавтоматической сварки под слоем флюса применяют флюсы АН-А1, АН-А4, 48-АФ-1, МАТИ-1а, МАТИ-10.Состав флюсов в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Состав флюсов для сварки алюминия и его сплавов, мас.% [5]

Флюс должен храниться в герметически закрываемой таре, а перед употреблением просушиваться при температуре 200 – 250 0С в течении 2 часов.

Наиболее приемлемым типом сварного соединения для алюминия является стыковое. Соединений внахлестку и тавровых избегают, так как возможно затекание шлака в зазоры, из которых его трудно удалить при промывке после сварки. Наличие шлака в зазоре может вызвать коррозию металла. Поэтому, этот метод сварки алюминия наиболее редко применяется в промышленности. Отличие от ручной дуговой сварки стальных металлоконструкций заключается в том, что алюминий имеет значительно более высокую теплопроводность, чем сталь (см. п.1). Это приводит к тому, что шлак при ручной дуговой сварке не успевает, в ряде случаев, удаляться из расплавленного металла сварного соединения ввиду малого времени нахождения сварочной ванны в расплавленном состоянии

и остается в соединении в виде дефектов.

2.2. Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки (ТIG).

Аргонодуговая


29-04-2015, 04:07