Нюансы и технология сварки алюминия электродом

В последние годы использование алюминия все больше получает распространение в производстве благодаря характеристикам, которые делают его привлекательной альтернативой стали. Алюминий в три раза легче, чем сталь, тем не менее он имеет более высокую прочность при легировании. В 6 раз лучше стали проводит электрический ток (в 30 раз лучше нержавеющей стали). Кроме того, алюминий — немагнитный материал, обеспечивающий превосходную коррозионную стойкость.

Действительно, технология сварки алюминия менее энергоемка и, следовательно, легче сварки стали. В мировом производстве прирост объемов сварки этого металла ежегодно составляет 5,5 % в связи с тем, что алюминий все больше используется в автомобильной и других отраслях промышленности.

Однако могут возникнуть некоторые трудности при применении привычного оборудования, калиброванного под сварку стали. Да и привычные сварочные режимы стали не всегда применимы к алюминию. Например, высокая теплопроводность и низкая температура плавления алюминия могут легко привести к прожиганию и поводковым проблемам, если не соблюдаются надлежащие режимы.

Сварка алюминия: что следует знать

Легирующие элементы

Чтобы была понятна технология сварки этого металла, прежде необходимо понять некоторые основы его металлургии. Алюминий можно легировать рядом различных элементов для увеличения прочности, стойкости к коррозии и/или общей свариваемости.

Главными легирующими алюминий составляющими служат Cu, Si, Mg, Mn и Zn.
Медь (Cu) обеспечивает высокую прочность алюминия. Эта серия сплавов является термостойкой и используется для изготовления частей самолетных двигателей, заклепок и винтов. Большинство этих сплавов считаются малопригодными для дуговой сварки из-за их чувствительности к горячим трещинам. Эти сплавы свариваются 4043 электродами с наполнителями, обладающими низкой температурой плавления с целью уменьшения вероятности горячих трещин.

Марганец (Mn) — с ним алюминий дает сплавы холодной закалки общего назначения, обычно отлично подходящие для аргонно-дуговой сварки с 4043 или 5356 электродами, не склонные к горячим трещинам. Кремний (Si) уменьшает плавление алюминия и улучшает его текучесть. Сплавы обладают хорошей свариваемостью.
Магний (Mg) придает сплавам отличную свариваемость с минимальной потерей прочности. Кремний и магний в совокупности создают термостойкие сплавы средней прочности, несколько склонные к горячим трещинам. Наиболее распространенными электродами для этой серии являются все те же универсальные 4043.
Цинк (Zn) в сплаве с алюминием и медью придает высокую прочность сплавам из алюминия. Свариваемость этой серии имеет недостаток: многие сорта чувствительны к образованию горячих трещин.

Чистый алюминий без легирующих добавок широко используется благодаря своей превосходной стойкости к различным видам коррозии, в оборудовании химической промышленности, легко сваривается с электродами 1100 и 4043 сплавов.

Химические свойства алюминия

С точки зрения химии алюминий имеет высокий потенциал растворимости атомов водорода в жидкой форме и низкую растворимость в точке кристаллизации. Это означает, что даже небольшое количество водорода, растворенное в металле шва, будет стремиться выйти из него по мере затвердевания, а возникшая пористость шва может стать большой проблемой во время сварки алюминия.

Кроме того, алюминий, соединяясь с кислородом в форме оксида алюминия, создает пористый слой, который может стать ловушкой для влаги, масла, смазки и других материалов. Другими словами, алюминий защищен оксидной пленкой, которая обеспечивает металлу превосходные антикоррозионные свойства. Но, поскольку оксидная пленка имеет высокую температуру плавления (2037°С), в три раза превышающую температуру плавления самого алюминия, она препятствует соединению частей металла. Поэтому сварка алюминия требует предварительного удаления оксидной пленки, для чего можно использовать любой способ:

• механическая очистка;
• растворители;
• химическое травление и др.

Важно! Вот некоторые из признаков наличия оксидной пленки:

• блуждающая дуга, когда вы не можете получить лужу без прожига и искажения металла;
• ваш наполнитель не смешивается с лужей, вместо этого он скатывается в трудно расплавляемый шарик;
• при попытке соединения двух краев заготовок алюминия они завиваются друг от друга и образуют еще больший разрыв;
• 8 часов экспозиции после очистки вполне достаточно для работы до повторной очистки.

Механические свойства

Механические свойства сварного шва, такие как прочность на растяжение, упругость и удлинение, зависят от выбора вида сплава алюминия и наполнителя.

Для канавки сварных швов зона термического влияния (ЗТВ) диктует прочность соединения:

1. В сплавах холодной закалки ЗТВ будет полностью отожженной и станет слабым местом.
2. Термостойкие сплавы требуют гораздо большего времени для отжига в сочетании с медленным охлаждением.

При таком режиме прочность сварного шва пострадает меньше.

Для угловых швов прочность зависит от состава наполнителя сплава электрода, используемого для сварки.

Совет: по возможности лучше подкладывать под область сварки радиатор из меди или алюминия. Поскольку алюминий имеет хорошую теплопроводность, то тепло из области сварного шва быстро передается остальным частям заготовок, которые становятся настолько горячими, что это может вызывать усадки и деформации в их структуре. С помощью некоторого теплопоглощения материалом, находящимся под областью сварки, можно защитить работу от деформации.

Основные методы сварки

Существует несколько основных методов сварки алюминия:

1. 1. Электродуговая газовая сварка — выступает как процесс, включающий в себя беспрерывную подачу сплошного расплавляющегося электрода в защитном газе. Применяется для сварки большей части используемых в производстве металлов, включая алюминий и другие цветные металлы, для сваривания с электродом постоянного тока положительного потенциала. При работе с алюминием полуавтоматическая сварка отличается тем, что электродом служит алюминий, подаваемый с большей скоростью и при большем токе.
   2. Электродуговая сварка с вольфрамом в защитном газе. При этом в процессе сварки происходит коалесценция металла при нагревании его теплом электрической дуги, возникающей между вольфрамовой проволокой и заготовкой. Неплавящимися электродами из вольфрама в среде инертного газа обеспечивается сварочный шов высокого качества. Швы четкие и блестящие, фактически не требующие зачистки после сварки. Такой способ применим для сваривания подавляющего числа металлов, но при этом требует виртуозных навыков от сварщика, особенно на тонких и замысловатых деталях. Благодаря отличному результату сварки этот метод широко применяется в аэрокосмической отрасли, самолетостроении, энергетике и нефтехимической отрасли.
   3. Плазменная электродуговая сварка — вариация на тему электродуговой сварки с вольфрамом в экранирующем газе. Процесс использует ограниченную дугу, выдавливаемую посредством медной насадки, она короче и действует целенаправленно. Ход сужения дуги значительно увеличивает накал дуги и количество происходящей ионизации. По мере повышения температуры энергия области плазмы распространяется вниз к рабочей поверхности алюминия. Общий результат выражается в концентрации источника тепла при более высокой температуре, что существенно повышает эффективность передачи тепла, позволяя ускорять процесс сварки. Однако использование этого метода для сварки алюминия вручную требует высокого уровня квалификации сварщика.
   4. Сварка лазером — обычно это автоматизированный процесс, использующий тепло от насыщенного луча брэгговского (соотнесенного) света для сваривания материалов. Употребляется для сварки практически любых металлов, алюминия в том числе. Гарантирует высокие скорости сварки, прекрасные свойства шва (хорошую механику, низкие искажения, без шлака и брызг). Сварные швы при этом выполняют как с присадочным металлом, так и без него, применяя защиту области сваривания газом. Используемое при этом оборудование требует немалых затрат и настоящего мастерства оператора из-за очень высокой скорости сварки и малого размера участков, повреждаемых лазером.
   5. Экранированная сварка (также известная как ручная дуговая) — процесс, который производится за счет тепла от электродуги, возникающей между электродами (кончиком) с флюсовым покрытием и поверхностью основного материала. Электродом служит металлическая проволока, покрытая составом из смеси минералов с металлами. Формула этой смеси обусловливается разновидностью электрода и полярностью сварки. Одна из функций покрытия — защитная, то есть обеспечение флюсования с целью вывода примесей из сварного депозита и контролирования химии сварного шва, обеспечения желаемых механических свойств. По мере накладывания шва покрытие электрода распадается, давая пары, которые служат в качестве защитного газа, и предоставляя слой шлака. И пары, и шлаковый слой защищают область сваривания от атмосферного воздействия. Такая сварка может применяться в условиях ограниченного доступа. Из-за простоты используемого оборудования и его эксплуатации, а также универсальности процесса экранированная дуговая сварка доминирует над другими сварочными процессами в сфере обслуживания и ремонта, в том числе и в таком деле, как сварка алюминия.

Размеры вольфрамовой проволоки, служащей электродом, в зависимости от величины тока:

1. 1. • 1/6 чистого вольфрама для тока от 30 до 80 А;
      • 3/32 чистого вольфрама для 60-130 А;
      • 1/8 чистого вольфрама для тока от 100 до 180 А.

При этом размер наполнителя стержня равен размеру вольфрама, длина дуги должна равняться диаметру вольфрама.

Важно! Когда не имеете представления о том, с каким именно сплавом алюминия имеете дело, воспользуйтесь универсальным электродом 4043.

Защитный газ при сварке алюминия

Дуговая сварка быстро окисляемых металлов нуждается в газах, защищающих область сварки от воздействия атмосферных газов азота и кислорода, которые могут вызывать дефекты синтеза, пористость и хрупкость металла, в том числе алюминия. Если они вступают в контакт с электродами, дугой или свариваемыми металлами. Эта проблема является общей для всех сварочных процессов, но вместо защитного газа многие методы дуговой сварки используют флюсующий материал, который при температуре сварки разлагается, выделяя защитный газ. Другие способы используют баллонный инертный газ, это избавляет от шлаков, жестких остатков, от которых необходимо освобождать место сварки. Выбор защитного газа зависит от многих факторов, главными из них выступают тип свариваемого материала и процесс изменения.

Чистые инертные газы (аргон и гелий) используются только для сварки цветных металлов (алюминий, медь и др.). Смесь аргон-гелий полностью инертна и используется только на цветных металлах, в том числе и для алюминия. Концентрация гелия до 50-75% поднимает напряжение и увеличивает тепловую энергию дуги, что делает его полезным для сварки в толще заготовок. Более высокий процент содержания гелия также улучшает качество сварного соединения и скорость использования переменного тока для сварки алюминия. Добавление даже небольшой доли водорода (до 5%) нежелательно, поскольку вызывает риск водородной пористости.

Предпочтительная скорость потока газа зависит в первую очередь от геометрии сварного шва, скорости сварки, тока, типа газа и режима используемой металлопередачи. Сварка плоских поверхностей требует большего потока, чем сваривание рифленого алюминия. Чем выше скорость сварки, тем больше газа должно быть введено для обеспечения адекватного охвата области сваривания.

Совет: оптимальный поток инертного газа (аргона) — 15-20 л/мин.

Особенности новых технологий

Эволюция управления таким процессом, как дуговая сварка, привела не так давно к разработке программного обеспечения контролируемых инверторных источников питания. Использование программного обеспечения для оптимизации характеристики дуги для алюминия была поднята на новый уровень и стала известна как технология управления сигналом. Изменение выхода постоянного тока используется в очень высокой скорости синергетического импульсного выхода, что дает ряд преимуществ в технологии сварки:

1. 1. • ввод высокой энергии во время пика импульсов;
      • последовательное проникновение профиля по всей длине шва;
      • снижение уровня брызг;
      • улучшение текучести;
      • увеличение скорости эффективного прохода;
      • снижение теплового ввода;
      • более низкий уровень искажений.

Новый способ варить алюминий представила команда компании Honda, разработав новый метод — ротационную сварку трением. Суть этого метода заключается в соединении заготовок из разных металлов (например, алюминия и черной стали) через механическое давление. Как объясняют специалисты Honda, такая технология сварки оставляет точечные сварные швы в прошлом и создает новые и стабильные металлические связи между металлами (например, сталь-алюминий). Швы при таком способе сварки прочнее, чем те, что получены в инертном газе. Кроме того, новая сварка вполовину экономичнее и легко поддается автоматизации и роботизации.