10.15. Зварювання алюмінію та його сплавів

Кольорові метали відіграють важливу роль в сучасному машинобудуванні, приладобудуванні, сільському господарстві, в хімічній промисловості, побуті тощо. Особливе місце серед них належить алюмінію. Він відносно легкий, корозостійкий, має привабливий зовнішній вигляд. Алюміній не токсичний, дуже стійкий в окислювальних середовищах. В зв’язку з цим його використовують для виготовлення посуду, ємностей для транспортування азотної кислоти та ін.

Чим менше домішок в технічному алюмінії, тим вище його корозійна стійкість. Алюміній дуже активний метал. Він швидко вступає у взаємодію з киснем, утворюючи на поверхні окисну плівку, яка запобігає подальшій взаємодії і руйнуванню алюмінію. Окисна плівка має температуру плавлення значно вищу (2050^оС), ніж сам алюміній (660^оС). Ці два фактори (активна взаємодія з киснем і утворення окисної плівки) дуже впливають на зварюваємість алюмінію.

При зварюванні алюмінію і його сплавів суттеву роль також відіграє «критичний зварювальний струм». Збільшення зварювального струму вище критичного значення порушує процес формування шва, його поверхня покривається складками, а глибина проплавлення різко зменшується. Величина критичного струму залежить від виду зварювання, якості захисту поверхні зварочної ванни інертним газом, складу захисного газу, товщини деталей, що зварюються. Нині найбільш поширене аргонодугове зварювання з використанням змінного струму і електродом, що не плавиться. Цей спосіб не оптимальний для всіх видів з’єднань. Він не продуктивний. В більшості зварювання якісне. Механізоване зварювання електродом, що розплавляється в середовищі аргону, в 4 – 5 разів продуктивніше, але гірше руйнується окисна плівка, що негативно впливає на якість зварювання.

В світовій практиці для зварювання алюмінію використовують нові джерела струму (наприклад, ВД – 306ДК, інверторні джерела живлення), які мають вольт-амперну характеристику з ділянками, які відповідають за певну стадію масопереносу, включаючи формування краплі рідкого металу, її відрив від електроду і перенос у ванну шва. Більш широко використовується плазмене зварювання алюмінію, але воно дороге.

В порівнянні із зварюванням залізовуглецевих сплавів, технологія зварювання алюмінію має ряд особливостей. Вони викликані наступними факторами:

1. Наявністю на поверхні окисної плівки з високою температурою плавлення і підвищеною, в порівнянні з алюмінієм, густиною.

2. Наявність критичного зварювального струму (550 – 750^оС).

3. Великий коефіцієнт теплового розширення і низький модуль пружності.

4. Чутливість до забруднення зварювального дроту і кромок поверхні.

5. Висока теплопровідність.

6. Значна усадка розплавленого металу.

Найбільші труднощі при зварюванні алюмінію викликає окисна плівка. При зварюванні в зоні шва вона не розплавляється, а руйнується на дрібні частинки, які потрапляють в рідкий метал. При кристалізації металу вони перешкоджають міжмолекулярному з’єднанню, утворюючи своєрідні тріщини. Крім того, оксидній плівці властива здатність адсорбувати гази, а особливо водяну пару. В результаті утворюються гази, котрі розчиняються в металі шва і утворюють пори.

На повітрі зачищена механічним способом поверхня швидко відновлюється (протягом декількох днів). Тому поверхню деталей, що з’єднуються, зачищають перед зварюванням і створюють штучну плівку. Вона дуже тонка і легко руйнується електричною дугою і флюсом під час зварювання. У відповідальних випадках спочатку поверхню алюмінію зачищають металічною щіткою, потім деталі, що зварюються, і присадочний дріт знежирюють водним розчином такого складу: 40 – 50% г/л тринатрійфосфату, 35 – 50 г/л кальційованої соди і 25 – 30 г/л рідкого скла. Час знежирення близько 5 хвилин при температурі розчину 60 – 70^оС. Далі деталі і дріт травлять протягом 1 – 3 хвилин в 5% розчині лугу NaOH чи KOH. Після цього продукти травлення змивають спочатку гарячою, а потім холодною водою. Далі деталі пасивують 20% азотною кислотою, нагрітою до 60^оС. При цьому вони покриваються новою тонкою плівкою. Підготовлені таким чином деталі потрібно зварити не пізніше як через 24 години, а дріт – 8 годин.

Ефективніше нова плівка руйнується на поверхні металу з від’ємним потенціалом. Присутні в електричній дузі іони інертних газів розганяються катодною напругою. Процес обробки поверхні металу позитивними іонами називають катодним розпиленням.

Менш ефективно руйнується плівка на поверхні з позитивним потенціалом. Для такого методу зварювання застосовують потужніші горілки і високі струми дуги. Такий метод називають термічною очисткою. При цьому рекомендується використовувати захисний газ гелій.

При ручному дуговому зварюванні покритими електродами і автоматичному зварюванні по шару флюсу розплавлений алюміній захищають від навколишнього середовища флюсами із хлоридів і фторидів лужних і лужноземельних металів, які розплавляються і реагують з окисом алюмінію, утворюючи комплексні летучі та легкі з’єднання, які випаровуються і переходять в шлак. Після зварювання шов промивають гарячою водою або парою.

При зварюванні алюмінієвих сплавів рекомендується використовувати стикове з’єднання з тимчасовою (сталевою) або такою, що залишається (алюмінієвою) підкладкою.

На тимчасовій сталевій підкладці робиться спеціальна канавка куди осідає окіс алюмінію. Постійна підкладка виготовляється з того ж алюмінію, що і зварюється. На практиці використовують підкладки з канавками глибиною 1,2 – 2 мм.

Із-за великої теплопровідності алюмінію і значного лінійного теплового його розширення при зварюванні вироби деформуються. Цьому треба запобігати. Є різні способи зменшення деформацій під час зварювання. Перш за все, при проектуванні з’єднань зварюванням треба намагатись зменшувати кількість зварних швів, розташовувати їх симетрично, передбачати ребра жорсткості, косинки. Необхідно також при зварюванні використовувати спеціальні збірно- зварювальні пристрої, які б запобігали зміщенням, зсувам, деформаціям. Підвищена схильність алюмінію до деформації під час зварювання може спричинити появу гарячих тріщин. Особливо схильні до таких тріщин стикові шви, що близько розташовані один біля іншого. Причиною цього є наявність зон перетину термічного впливу.

Для зменшення деформації також використовують технологічні прийоми зварювання. Перш за все, необхідно правильно підібрати режими зварювання, щоб була мінімальною зона термічного впливу. При цьому прагнуть використовувати методи зварювання, які забезпечують високу концентрацію енергії в дузі, а з’єднання зварюють з підвищеною швидкістю. Для усунення залишкових деформацій застосовують ударну і теплову правку. До технологічних методів можна віднести і попередній підігрів деталей, який здійснюється газовими горілками, гарячим повітрям чи електроконтактними нагрівниками.

При зварюванні алюмінію важливою є проблема рівнотовщинності зварних з’єднань. При зварюванні треба рівномірно розплавити кромки двох деталей. Із-за низької температури плавлення кромка більш тонкої деталі швидше розплавляється, що приведе до неякісного зварювання.

Важливу роль у процесі зварювання відіграє присадочний дріт. Завдяки плавленню дроту шов заповнюється металом необхідного складу. Присадочний дріт виготовляється стандартного скосу і розмірів.

Ручне дугове зварювання здійснюється покритими електродами. Мінімальний діаметр електродів складає 4 мм. Але він при зварюванні в 2 – 3 рази швидше розплавляється за сталевий. Тому на практиці частіше використовують електроди більших діаметрів.

В окремих випадках використовують вольфрамові електроди. Вольфрам має високу температуру плавлення (3600^оС), при високих температурах в нього низький коефіцієнт теплопровідності, тому його використовують для виготовлення електродів, що не плавиться.

Отже, електродугове зварювання алюмінію є складним і потребує дотримання параметрів технологічного процесу та виконання рекомендацій.

При порушеннях технології шви можуть бути неякісними. Основними дефектами є не провари, пропалювання, пори, тріщини, окисні і вольфрамові включення, а також незадовільне формування шва.

При всіх видах електродугового зварювання алюмінію застосовують спеціальні технологічні і конструктивні заходи, які сприяють видаленню окисної плівки з поверхні металу, шлакових включень, зниженню загазованості металу шва, зменшенню короблення тощо.

В принципі дугове зварювання алюмінію і його сплавів може здійснюватись всіма відомими способами: ручне дугове зварювання покритими електродами, аргоно-дугове зварювання електродом, що не плавиться, плазмене зварювання, напівавтоматичне аргоно-дугове зварювання електродом, що плавиться з використанням стандартних джерел живлення, низьковольтною і високовольтною підпиткою зварювальної дуги.

Література

1. Алаи С. И. Технология конструкционных материалов. – М.: Просвещение, 1986. – 302 с.

2. Дьогтев Г. В. Матеріалознавство. – К.: Вища школа, 1975. – 440 с.

3. Козаков Н. Ф. и др. Технология металлов и других конструкционных материалов. – М.: Металлургия, 1975. – 570 с.

4. Кузьмин Б. А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1977. – 304 с.

5. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

6. Лейхин А. Е., Родин Б. И. Материаловедение. – М.: Высшая школа, 1971. – 416 с.

7. Материаловедение / Под ред. А. Г. Рахштадта. – М.: Металлургия, 1989. – 454 с.

8. Материаловедение / Под ред. Б. Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 383 с.

9. Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. – М.: Машиностроение, 1987. – 363 с.

10. Онищенко В. И. и др. Технология металов и конструкционные материалы. – М.: Агропромиздат, 1991. – 479 с.

11. Основы материаловедения / Под ред. И. И. Сидоркина. – М.: Машиностроение, 1976. – 439 с.

12. Технология конструкционных материалов / Под ред. А. М. Дольского. – М.: Машиностроение, 1985. – 484 с.

13. Технология конструкционных материалов / Под ред. Г. А. Прейса. – К.: Вища школа, 1991. – 390 с.

14. Технология металлов и конструкционные материалы / Б. А. Кузьмин и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 496 с.

15. Технология металлов и конструкционных материалов. – М.: Металлургия, 1973, – 448 с.

16. Технология металлов и металловедение / Под ред. Л. Ф. Усовой. – М.: Металлургия, 1987. – 800 с.

17. Технологія металів та інших конструкційних матеріалів / За ред. Г. О. Прейса. – К.: Вища школа, 1975. – 371 с.

18. Травин О. В., Травина Н. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 382 с.

19. Циммерман Р, Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справочник / Под ред. П. И. Погухина, М. Л. Берштейна. – М.: Металлургия, 1982. – 479 с.

Питання для самостійної роботи

1. Як у зварювальних трансформаторах досягають крутопадаючої волт-амперної характеристики?

2. Коли краще зварювати: електродом з обмазкою, присадочним дротом під флюсом, присадочним дротом у захисному газі?

3. Які є способи регулювання струму в зварювальних трансформаторах? Коли якими краще користуватися?

4. В яких випадках при зварюванні використовують змінний, а в яких постійний струм?

5. Як зварюють шовні труби?

6. Назовіть нові способи зварювання металів. З’ясуйте їх зміст.

7. В чому полягають особливості зварювання алюмінію?