Книги по строительству и ремонту

Ручная дуговая сварка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

18.1. Сварка алюминия и его сплавов

Алюминий — светлый, мягкий    и    легкий    металл с плотностью 2,7 г/см3  (в 3 раза   меньше   плотности железа), обладающий высокой пластичностью, тепло- и электропроводимостью, а также коррозионной стойкостью. Чистый алюминий ввиду низкой прочности используется ограничено.

Большое распространение получили сплавы алюминия с магнием, марганцем, кремнием, титаном, бериллием и цинком. Сплавы алюминия в зависимости от способа получения и обработки подразделяются на литые, используемые для литых деталей, и деформируемые, которые могут быть прессованными и катаными различного профиля, коваными и штампованными требуемой формы. Термическое упрочнение — закалка и искусственное или естественное старение — повышает прочность некоторых сплавов до значительных величин, превышающих прочность низкоуглеродистых и даже низколегированных сталей.

Для сварных ограждающих конструкций — оконных и дверных конструкций, кровельных и стеновых панелей, потолков, перегородок — применяют деформируемые сплавы невысокой прочности типа АМц (алюминиево-марганцевые), для несущих конструкций используют более прочные, хорошо сваривающиеся сплавы типа АМгб (алюминиево-мапшевые), имеющие <7в=350 МПа, (тт^1б0 МПа и 6 = 15—18%. Применяют ряд других марок алюминия с учетом их свойств и особенностей конструкций.

Сварка алюминия и его сплавов затруднена вследствие его особых теплофизнческих свойств. Температура плавления алюминия 660 °С. При контакте с воздухом на поверхности алюминия образуется плотная тонкая пленка оксида АЬОз, которая предохраняет металл от дальнейшей коррозии, но одновременно ухудшает условия сварки, так как температура плавления оксида алюминия 2050 °С, поэтому перед сваркой надо удалить с поверхности алюминия оксид. Алюминий легко окисляется при сварке, и оксидная пленка, образующаяся на каплях и в ванне, загрязняет шов. В расплавленном состоянии алюминий хорошо растворяет водород, который при повышенной скорости охлаждения, вызванной высокой теплопроводностью металла, не успевает выделиться в момент кристаллизации и вызывает пористость. Вследствие высокого коэффициента линейного расширения (в два раза больше, чем у стали) сварка алюминия вызывает повышенные деформации, а большая жидкотекучесть и трудность наблюдения за процессом сварки (алюминий не меняет цвета при нагреве и расплавлении) вызывают необходимость применения подкладок для предупреждения вытекания жидкого металла за пределы шва.

Подготовка к сварке. Поступающий для изготовления конструкций металл очищают от смазки, правят и обрабатывают для изготовления деталей, а кромки подготавливают под сварку. Форма подготовки кромок алюминиевых деталей под сварку почти такая же, как под сварку стали. Разница заключается в размерах угла разделки стыковых швов (для алюминия общий угол разделки увеличен до 60—70 °С) и величине притупления, которое для алюминия, как правило, может быть больше, чем у стали. Кромки и прилегающий металл перед сваркой должны быть тщательно очищены от поверхностной пленки А12О3, которая затрудняет сварку, и от защитного слоя (анодирования, лака и др.)  механическим или химическим способом.

Для механической очистки используют дисковые щетки из нержавеющей стальной проволоки, хорошо обезжиренные и чистые. Химическая очистка осуществляется обезжириванием и травлением специальными составами подготовленных для сварки элементов и присадочной проволоки. Для обезжиривания детали ее обрабатывают в течение 5—8 мин в щелочном растворе следующего состава: тринатрийфосфат Na3PO4 — 35—50 г; углекислая сода Na2CO3 — 35— 50 г, жидкое стекло Na2Si02 — 30 г, вода 1000 см3; температура раствора 60—70 °С. После обезжиривания деталь следует промыть в горячей   воде   (50—60 °С).

Для травления может быть использован 4—5 %-ный раствор едкого натра NaOH, в котором производят травление в течение 1 мин при температуре раствора 60—70 °С. После этого следует промыть протрав 7ев> ные детали и проволоку в теплой воде (20—25°С), а затем осветлить в течение 2—5 мин в 15 %-ном водном растворе азотной кислоты при температуре раствора 50—60 °С. После осветления детали промывают в горячей (50—60°С), а затем в холодной проточной воде и сушат в течение 10 мин в сушильном шкафу при температуре 100—110°С. Применяют и другие растворы для обезжиривания и травления.

Очищенные механическим путем детали также подлежат обезжириванию. После обезжиривания и очистки травлением детали можно хранить в цехе до сварки не более 3 сут, а после механической очистки и обезжиривания — не более 3 ч.

Сборка конструкций под сварку осуществляется в кондукторах, надежно фиксирующих положение деталей. Элементы кондукторов, непосредственно соприкасающиеся с деталями, изготовляют из немагнитных материалов. Кондуктор должен обеспечивать поворот детали в положение, удобное для сварки, и не препятствовать усадке элементов, особенно при толщине более 10 мм. При сварке в кондукторах или без них следует пользоваться подкладками и прижимами (18.1), облегчающими формирование шва при сварке покрытыми электродами, угольной дугой пли иеплавящимся электродом в аргоне.

При сварке без кондукторов соединяемые элементы закрепляют с помощью прихваток, которые выполняют покрытыми электродами или неплавящимися электродами в аргоне. В угловых и нахлесточных соединениях прихватки ставят без присадочного металла, в стыковых — с присадочным  

При толщине элементов до 3 мм прихватки выполняются на всю толщину. При длинных соединениях прихватки располагают от середины соединения к краям. Прихватки в стыковых многослойных соединениях располагают со стороны, обратной сварке первого слоя шва, а при сварке шва с обратной стороны их следует удалить. Перед сваркой прихватки необходимо осмотреть, дефектные удалить и выполнить вновь, а затем очистить и обезжирить.

Сварку алюминия и его сплавов покрытыми электродами применяют в основном для малоответственных конструкций из-за невозможности получить шов, близкий по механическим свойствам основному металлу.

В качестве покрытий электродов применяют смеси из хлористых и фтористых солей. Для сварки алюминия и его сплавов используют электроды 03А-1 и АФ4аКР. Для сварки дефектов алюминиевого литья применяют электрод ОЗА-2.

Перед сваркой электроды просушивают при температуре 150—200 СС в течение 2 ч. Сварку указанными электродами производят постоянным током обратной полярности короткой дугой без поперечных колебаний электрода. Возможно выполнять сварку в вертикальном положении.

Сварочный ток принимают (40—50)с?э. Металл толщиной до 8 мм сваривают без разделки. При толщине 10 мм и более делают разделку. Применяют предварительный подогрев при толщине 8—10 мм до 200—250 СС, а при толщине 12—20 мм —до 300— 350 °С с целью снижения скорости охлаждения, удаления из шва водорода и уменьшения пористости шва. Однако магниевые сплавы большой толщины следует подогревать до температуры не выше 100—150 °С.

Некоторое распространение получила сварка угольным или графитизированным электродом. Швы толщиной до 3 мм сваривают по отбортовке кромок без присадочного металла. При более толстом металле применяют присадочную проволоку марок Св-А97, Св-А85Т, Св-АМц или других марок, близких по химическому составу к основному металлу. Перед сваркой присадочный пруток и кромки металла покрывают флюсом АФ-4А.

Флюс, как и покрытия электродов ОЗА-1 и ОЗА-2, способствует удалению окислов алюминия и защите металла от окисления. Сварку ведут постоянным током прямой полярности. В зависимости от толщины металла применяют электроды и присадочные прутки разного диаметра. Качество сварного шва примерно такое же, как у выполненного покрытыми электродами.

Достаточно широко применяется аргонодуговая скарна алюминия и его сплавов неплавящимся электродом, которая обеспечивает высокое качество сварных соединений и не требует применения флюсов и покрытий. Сварка возможна во всех пространственных положениях с присадочным или без присадочного металла. Для ручной и механизированной сварки предназначены специализированные установки УДГ-301, УДГ-501. Сварку производят переменным током, который хорошо разрушает и удаляет из металла оксидную пленку. Подготовка соединений к сварке, очистка, травление и сборка такие же, как при других способах сварки.

Для сварки применяют аргон высшего или 1-го сорта, хорошо осушенный. Успешно сваривают металл небольшой толщины до 10 мм, однако возможна сварка и более толстого металла. Сварку ведут короткой дугой 1,5—2,5 мм без поперечных колебаний электрода справа налево, а присадочную проволоку подают короткими возвратно-поступательными движениями под углом 90° к электроду. Режимы для сварки в нижнем положении приведены в табл. 18.2.

При сварке в вертикальном положении сварочный ток уменьшают на 15—20 %.

Недостатком аргонодуговой сварки является возможность появления пористости швов из-за дефектов очистки и насыщения шва водородом. Для борьбы с водородом иногда применяют аргон с добавкой кислорода, который окисляет водород и этим уменьшает пористость.

Тонкий металл от 0,2 мм и более успешно сваривают импульсно-дуговым методом, для чего применяют генераторы импульсов или транзисторные инверторные источники тока, преобразующие постоянный ток выпрямителя в переменный импульсный ток.

Плазменная сварка алюминиевых сплавов является перспективной. Она разработана с питанием током переменной полярности от двух объединенных источников постоянного тока, что позволило обеспечить качественную сварку алюминия толщиной 6 мм без разделки кромок. Для ручной плазменной сварки алюминия используют установку УПС-301, позволяющую сваривать металл толщиной 1—8 мм постоянным током обратной полярности. Плазменная сварка с применением переменного тока пока не освоена вследствие неустойчивости процесса.

П9СДе сварки алюминия и его сплавов любым из перечисленных способов необходимо немедленно очистить шов от шлака и окислов для предупреждения коррозии металла.