2.Особенности сварки алюминия и его сплавов

К особенностям сварки алюминия и его сплавов следует отнести следующие:

- удельная масса алюминиевых сплавов около 2,8 Кг/м³, Тпл 933 К;

- наличие и возможность образования тугоплавкого окисла с удельной массой около 4 Кг/м³ при Тпл = 2323 К;

- существенное снижение прочности при высоких температурах;

- большой коэффициент линейного расширения;

- высокая теплопроводность;

- склонность к возникновению трещин.

Основные дефекты сварки алюминиевых сплавов – окисные включения в шве – появляются из-за наличия окисных пленок, имеющихся на поверхности соединяемых элементов и присадочной проволоки. Из-за большей удельной массы «осколков» окисных плен они тонут в расплавленном дугой металле.

При сварке в нижнем положении под действием силы тяжести окисные включения накапливаются на дне ванны шва. В процессе охлаждения металла происходит кристаллизация основного металла, в котором остаются очень тонкие пластинки окисных плен, представляющих концентраторы напряжений при нагружении шва и снижающих прочность сварного соединения. Выявление таких плен физическими методами исследования представляет большие трудности. Поэтому для удаления окисных плен из сварного соединения при сварке в нижнем положении под ванной шва формируют проплав, глубина которого h_п должна быть достаточной для размещения в нем окисных плен (рис. 4).

Рис. 4. Формирование сварного шва из сплавов алюминия

Для облегчения разрушения окисных плен в сопряжении свариваемых деталей перед сваркой детали устанавливают с гарантированным постоянным зазором по периметру шва. Для обеспечения полноты формы шва при наличии зазора и проплава сварку выполняют с присадочной проволокой.

На прочность шва при его нагружении влияют также высота усилительного валика шва h_в и радиус переходной зоны от основного металла к валику R. Для формирования проплава под швом размещают проплавообоазующую подкладку. После завершения сварки проплав вместе с окисными пленами удаляют.

В процессе кристаллизации металла в ванне шва происходит усадка. По мере продвижения источника тепла, плавящего металл (сварочной дуги, электронного луча), усадка сдвигает незакрепленные кромки свариваемых оболочек как молния, используемая для соединения тканей. Механические напряжения от усадки, возникающие в остывающем сварном шве, деформируют околошовную зону как поперек, так и вдоль шва в процессе сварки и после ее завершения.

Для сохранения исходной геометрии свариваемых оболочек необходимо локализовать зону формирования усадочных напряжений в непосредственной окрестности сварного шва до, в процессе и после сварки, препятствуя смещению свариваемых кромок под действием этих напряжений.

Свариваемые кромки обечаек в околошовной зоне закрепляют распределенными нагрузками (клавишными прижимами) на оснастке, используемой для базирования по наружной или внутренней поверхности обшивки (рис. 5).

Рис. 5. Схема закрепления свариваемых кромок оболочек

Величина усилий закрепления зависит от толщины свариваемого металла, расстояния между прижимами, количества подводимого тепла в зону сварки, условий охлаждения и многих других факторов. После сварки желательно не раскрепляя сваренной конструкции произвести термообработку всего сваренного шва по циклу: нагрев – выдержка при температуре снятия остаточных напряжений – охлаждение до нормальной температуры. Такую термическую обработку после сварки называют термофиксацией.

Наличие загрязнений и окислов на этих поверхностях увеличивает количество окисных включений в швах и существенно снижает прочность сварного соединения.

Для исключения дефектов перед сваркой производится очистка поверхности свариваемых деталей от загрязнений и удаление окислов с поверхностей и присадочной проволоки.

Существует несколько способов очистки поверхности алюминиевых сплавов перед сваркой: химическое травление в растворе щелочи с последующим осветлением в азотной кислоте, электрополирование, механическая зачистка, включая шабрение, катодное распыление и пр. Первый способ достаточно производительный и обязательный для всех свариваемых деталей. Хорошее удаление окислов дает электрополирование или механическая зачистка поверхности шабрением. Однако производительность процесса недостаточна.

В результате взаимодействия со щелочью окисная пленка стравливается с поверхности в течение 2...3 мин. После этого остатки щелочи и продукты реакции смывают с поверхности детали сначала горячей, а затем холодной водой, одновременно протирая их волосяными щетками. Сразу же после промывки детали пассивируют в 20% азотной кислоте, нагретой до температуры 333...334 К. За 5...7 мин пребывания в растворе поверхность детали покрывается новым, более плотным слоем окиси алюминия, препятствующим дальнейшему быстрому окислению поверхности металла. Извлеченные из азотной кислоты детали промывают в холодной, а затем в горячей воде и сушат подогретым воздухом. В атмосферных условиях толщина образующейся окисной пленки непрерывно увеличивается, хотя и более медленно с увеличением толщины этой пленки.

На качество сварных швов значительно влияет состояние поверхности присадочной проволоки. Присадочная проволока подготавливается перед сваркой только химическим путем и включает следующие основные операции: обезжиривание, травление, дополнительную обработку поверхности после травления с целью повышения плотности пленки и уменьшения запаса имеющейся в ней влаги. Обезжиривание и травление проволоки проводят по технологии, принятой для обезжиривания и травления поверхности основного металла. Дополнительная обработка может быть различной: вакуумная сушка проволоки, химическое или электрохимическое полирование поверхности.

Химическое травление в растворе щелочи с последующим осветлением в азотной кислоте не всегда обеспечивает необходимое качество сварных соединений, особенно в тех случаях, когда выдержка металла перед сваркой превышает несколько суток. Подготовленные к сварке детали необходимо сварить в течение 24 час, а сварочную проволоку использовать в течение 8 час. Различие в сроке хранения подготовленных к сварке деталей и проволоки обусловлено тем, что непосредственно перед сваркой соединяемые кромки деталей дополнительно очищают от окисных пленок механическим путем - шабрением.

Образовавшаяся после шабрения тончайшая пленка окиси сравнительно легко удаляется сварочной дугой, горящей в среде инертных газов, что обеспечивает более стабильные свойства соединений.