Введение

1. Особенности сварки алюминия и его сплавов, применяемые материалы

1.1 . Удаление окисной пленки с поверхности свариваемого металла

1.2. Конструктивные и технологические особенности сварки алюминия и его сплавов

1.3. Материалы для сварки алюминия и его сплавов

2. Обзор наиболее распространенных способов сварки алюминия и его сплавов

2.1. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами алюминия и его сплавов

2.2. Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки

2.2.1. Сварка вольфрамовым электродом переменным симметричным током

2.2.2. Сварка вольфрамовым электродом переменным асимметричным током

2.2.3. Импульсная сварка вольфрамовым электродом

2.3. Плазменная сварка алюминия и его сплавов

2.4. Механизированная аргонодуговая сварка плавящимся электродом

2.4.1. Механизированная сварка плавящимся электродом

2.4.2. Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом

3. Оценка способов дуговой сварки алюминия и его сплавов

4. Техника безопасности и пожарные мероприятия при выполнении сварочных работ

Список литературы

Введение.
Алюминий и его сплавы играют важную роль в современной промышленности. Это обусловлено тем, что большинство промышленных сплавов алюминия обладает рядом уникальных свойств: сочетание высоких механических свойств (высокая удельная прочность .В/.) и физических свойств (малая плотность ., высокая теплопроводность, которая в 3-3.5 раза выше, чем у стали).
В работе [1] приведены данные о потреблении алюминия и его сплавов в мире за 1998 год. [pic]
Рис.1. Применение алюминия и его сплавов в 1998 году в разных частях мира

Основными областями применения являются транспорт (авиационная промышленность, кораблестроение, вагоностроение), строительство
(металлоконструкции общего назначения) и упаковочная промышленность.
[pic]
Рис.2. Применение алюминия и его сплавов в промышленности

Большинство промышленных сплавов представляют собой сложные металлургические системы. В качестве основных легирующих элементов для алюминия используют магний, марганец, медь, кремний, цинк, реже никель, титан, бериллий, цирконий. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости, а также промежуточные фазы с алюминием и между собой (например, Mg2Si, CuAl2).
Суммарное содержание легирующих элементов, как правило, не превышает 15%. алюминия марганцем или магнием способствует повышению его прочности.
Дополнительного упрочнения, как и для технического алюминия, можно достичь нагартовкой (наклепом). Однако применение нагартованного металла в сварных конструкциях менее удобно, чем использование ненагартованного или отожженного. Нагартованный металл, в особенности с повышенным содержанием легирующих примесей, труднее деформировать при изготовлении заготовок под сварку. Кроме того, эффект нагартовки легко снимается сварочным нагревом.
Временное сопротивление сплава АМг6 в отожженном и нагартованном состояниях
320 и 380 МПа соответственно.
Максимальную прочность термически упрочняемых сплавов получают в результате закалки и последующего старения. В закаленном и состаренном сплаве упрочнение обеспечивается образованием зон Гинье – Престона (зонное упрочнение) или мелкодисперсных фаз (фазовое упрочнение). Закалку сплава осуществляют погружением его в воду. При этом создается пересыщенный твердый раствор алюминия. При последующей выдержке на воздухе и комнатной температуре (естественное старение) или при температуре 100 – 190°С
(искусственное старение) прочность полуфабрикатов повышается в 2 2,5 раза.
Временное сопротивление термически упрочняемых сплавов достигает 400 – 500
МПа и более.
Чем меньше примесей в алюминиевом сплаве, тем, как правило, выше его пластичность. Технический алюминий, алюминиево-марганцевый и низколегированные сплавы с магнием вплоть до АМг5 легко деформируются в холодном состоянии. Образцы сплава АМг6 в зависимости от толщины, содержания сопутствующих примесей могут быть изогнуты на 100—180°.
Термически упрочняемые сплавы допускают деформацию только в закаленном состоянии, а в состаренном состоянии изгибу не подлежат. Их можно деформировать после небольшого нагрева (150 – 200°С).
В связи с тенденцией замены черных металлов алюминием и его сплавами во многих отраслях техники, строительства и транспорта эту замену следует осуществлять с учетом технико-экономических преимуществ того или иного сплава перед сталью. При использовании алюминиевых сплавов необходимо также учитывать их коррозионную стойкость и свариваемость.
Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется наличием на поверхности изделий плотной окисной пленки. Алюминий совершенно нетоксичен, чем определяется широкое применение его в пищевой промышленности. Он весьма стоек в окислительных средах. В связи с этим его используют в сосудах для транспортировки и получения азотной кислоты и т.п. Как правило, чем меньше примесей в техническом металле, тем выше его коррозионная стойкость.
Алюминий и его сплавы совершенно непригодны для работы в щелочной среде.
Под свариваемостью понимают совокупность свойств, определяющих возможность получения сварных соединений определенного качества при данном способе сварки. Чем легче получаются качественные соединения, тем выше свариваемость сплава. Многогранное понятие «свариваемость» включает склонность сплавов к образованию трещин, пористости, механические свойства сварных соединений, коррозионную стойкость и пр. При сварке плавлением свариваемость зависит от химического состава сплава и его структуры, которая создается в результате металлургического передела слитка. Среди физико-химических характеристик металла наибольшее влияние на свариваемость оказывают наличие окисной пленки, химический состав, теплопроводность, температура плавления, плотность, коэффициенты теплопроводности и линейного расширения. Последнее приводит к тому, что уровень деформации алюминиевых сварных конструкций в 1.5-2 раза выше, чем у аналогичных стальных конструкций.
Чтобы обеспечить алюминиевым сварным конструкциям требуемую форму и размеры, используют конструктивные и технологические методы уменьшения сварочных деформаций. К числу этих методов относят правильный выбор толщины свариваемых деталей, соответствующее конструирование сварного соединения при сварке разнотолщинных деталей, предварительный подогрев свариваемых поверхностей.
При сварке алюминия и его сплавов также существует такое понятие, как критический сварочный ток. Этот ток определяется рядом факторов, которые недостаточно изучены. Увеличение сварочного тока выше критического значения нарушает процесс формирования сварочного шва, его поверхность покрывается морщинистыми складками, а глубина проплавления резко уменьшается. Величина критического тока зависит от вида сварки, качества защиты поверхности сварочной ванны инертным газом, состава этого газа, толщины свариваемых элементов.
В настоящее время в Украине наиболее распространена аргонодуговая сварка неплавящимся электродом алюминия и его сплавов на переменном токе. Этот метод не является оптимальным для всех видов сварных соединений, т.к. имеет недостаточно высокую производительность. Механизированная сварка плавящимся электродом в среде аргона, например, обеспечивает в 4-5 раз большую производительность, но худшее удаление окисных пленок. Это должно отрицательно сказываться на механических свойствах сварных соединений.
Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом, которая мало применяется в Украине, устраняет этот недостаток, однако свойства сварных соединений изучены недостаточно. Появившиеся в последнее время современные источники питания, например, ВД-306ДК, использующие комбинированную вольтамперную характеристику (ВАХ имеет ряд участков, каждый из которых отвечает за определенную стадию массопереноса, включая формирование капли, ее отрыв от электрода и перенос в сварочную ванну), вообще не исследованы в области технологических свойств при сварке алюминия и его сплавов. Инверторные источники питания ввиду минимального распространения в Украине, также не имеют практического опыта промышленного применения в области сварки указанных соединений. Метод плазменной сварки алюминия известен более широко, но имеет распространение в основном за рубежом.
Поэтому, тема настоящего обзора определена необходимостью систематизации и обобщения основных технологических параметров сварки алюминия и его сплавов в свете достижений техники за последние годы, рассмотрения влияния различных видов аппаратурного оформления процесса сварки алюминия и его сплавов на свойства сварных соединений, экономической целесообразностью применения тех или иных методов сварки.

1. Особенности сварки алюминия и его сплавов, применяемые материалы.
Технология сварки алюминия и его сплавов достаточно многообразна, виды сварки перечислены выше и имеют ряд особенностей. К числу основных особенностей сварки алюминия и его сплавов любым из перечисленных методов относятся: необходимость удаления окисной пленки с поверхности свариваемых изделий, тщательная подготовка под сварку, предварительный подогрев и др. В работе [2] приведены основные трудности сварки алюминия и его сплавов. К ним относятся:
1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла Al2O3 (Tпл =
2050єС) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки.
2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению (проваливанию) твердого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью, алюминий может вытекать через корень шва.
3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения [. = (21 .
24.7)10-6 . С-1] и низким модулем упругости сплав имеет повышенную склонность к короблению. Уровень сварочных деформаций в 1.5-2 раза выше, чем у аналогичных стальных конструкций.
4. Необходима самая тщательная химическая очистка сварочной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свариваемых кромок. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла.
Предварительный и сопутствующий подогрев замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, что способствует более полному удалению газов и снижению пористости.
5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120-1500С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.
6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкосплавных эвтектик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%).
В настоящем разделе приводятся основы технологии сварки алюминия и его сплавов и применяемые сварочные материалы.

1.1. Удаление окисной пленки с поверхности свариваемого металла.
В естественных условиях производства и хранения алюминий покрывается слоем окиси, предохраняющим его от коррозии. На воздухе зачищенная поверхность сразу же покрывается новым слоем окиси, толщина которого восстанавливается практически в течение нескольких дней, надежно защищая металл от дальнейшего окисления. На рис.1.1 показана кинетическая зависимость окисления алюминия при 200єС. [pic]
Рис.1.1. Кинетическая зависимость окисления алюминия при 200єС.
Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (20500єС) она не растворяется в жидком металле в процессе сварки. Попадая в ванну, она затрудняет сплавление между собой частиц металла и ухудшает формирование шва.
Важной характеристикой окисной пленки алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Поэтому, окисная пленка является источником газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода.
Естественная защитная пленка имеет значительную толщину и ее удаление в процессе сварки весьма затруднительно. Поэтому поверхность соединяемых деталей и проволоки очищают от слоя окиси непосредственно перед сваркой и создают на ней искусственный слой окиси, который сохраняется достаточно тонким в течении 8-16 ч. Полученный тонкий слой окиси алюминия сравнительно легко удаляется электрической дугой или с помощью флюса во время сварки.
Обработка поверхности свариваемых деталей и проволоки производится следующим образом [3]. Сначала производится механическая зачистка с помощью металлических щеток. Затем свариваемые детали и проволока обезжириваются в водном растворе следующего состава: 40-50 г/л тринатрийфосфата (Na3PO4 .
12H2O), 35-50 г/л кальцинированной соды (Na2CO3) и 25-30 г/л жидкого стекла (Na2SiO3). Время обезжиривания примерно 5 минут, температура раствора 60-700С. Далее свариваемые детали и проволоку подвергают травлению в течении 1-3 мин в 5% растворе щелочи NaOH или KOH. После этого остатки щелочи и продукты реакции смывают сначала горячей, а потом холодной водой.
После промывки детали пассивируют 20% азотной кислотой (HNO3), нагретой до температуры 600С. При этом детали покрываются новым тонким слоем окисной пленки. Извлеченные из азотной кислоты детали промывают холодной, затем горячей водой и сушат.
Так как в атмосферных условиях толщина образованной пленки, хотя и более медленно, но все же увеличивается, подготовленные к сварке детали необходимо сварить в течение 24 часов, а сварочную проволоку использовать в течение 8 часов. 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 – проволочной щеткой, а затем шабером. Образовавшаяся после механической зачистки тончайшая пленка окиси легко удаляется сварочной дугой, горящей в среде инертных газов. Весьма эффективно происходит удаление окиси с поверхности металла, имеющего отрицательный потенциал. Присутствующие в дуге положительные ионы инертных газов разгоняются катодным напряжением и ударяют в поверхностный слой окисной пленки. Процесс обработки свариваемого металла положительными ионами называют катодным распылением. Результаты этого процесса остаются в виде беловатых полос по сторонам шва.
Менее эффективно удаление окиси алюминия с поверхности свариваемого металла происходит, когда он имеет положительный потенциал. Окись алюминия в этом случае разрушается при взаимодействии с расплавленным алюминием. В результате образуется газообразный субокисел Al2O. Поскольку эта реакция возможна только при температурах свыше 17000С, область очищенной поверхности практически ограничена анодным пятном. Естественно, для такого метода сварки применяются мощные горелки и высокие токи дуги для обеспечения большой плотности теплового потока в области анодного пятна дуги. Такой метод удаления окисной пленки называется термической очисткой.
Поэтому, этот метод более эффективен при использовании в качестве защитного газа гелия, так как он наиболее высокоэнтальпийный газ и способствует более стабильному поддержанию дугового промежутка.
При ручной дуговой сварке покрытыми электродами и автоматической дуговой сварке по слою флюса расплавленный алюминий защищают от окружающей атмосферы флюсами из хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов, которые под действием дуги расплавляются и энергично реагируют с окисью алюминия, образуя комплексные соединения, переходящие в шлак, либо летучие соединения. Так, например, при использовании флюсов состава 50%
KCl; 15% NaCl; 35% Na3AlF2 происходит разрушение Al2O3 по реакции
Al2O3 + 6KCl = 2AlCl3ЃЄ + 3K2O и растворение Al2O3 в криолите Na3AlF2 с образованием легкоплавкого шлака (NaCl снижает температуру плавления криолита). Криолит не только растворяет Al2O3, но, изменяя поверхностное натяжение металла, способствует образованию мелкокапельного переноса электродного металла. Остатки флюса и шлака, как правило, при комнатных температурах способствуют коррозии алюминия. Поэтому их остатки необходимо тщательно удалять с поверхности сваренных изделий, протирая загрязненные участки волосяными щетками в струе горячей воды или пара. Очищающее действие дуги зависит от глубины ее проникновения в соединяемый металл. Эту глубину регулируют, изменяя силу сварочного тока. Как правило, сварочный ток для сварки алюминия и его сплавов не превышает 550-750А. Увеличение сварочного тока выше этих критических значений нарушает процесс формирования шва.
При сварке плавлением алюминиевых сплавов наиболее рациональным типом соединений являются стыковые. Для устранения окисных включений в металле швов используют удаляемые подкладки из коррозионно-стойкой стали, других металлов с повышенной температурой плавления, а также меди, благодаря ее высокой теплопроводности. Используют также остающиеся подкладки из свариваемого алюминиевого сплава или разделку кромок с обратной стороны шва, что обеспечивает удаление окисных включений из стыка в канавку подкладки. [pic]
Рис.1.2. Форма поперечного сечения канавки в подкладке, формирующей обратную сторону стыкового шва: а – прямоугольная; б – квадратная со скругленными кромками; в – квадратная, наклонная
Подкладка, формирующая обратную сторону стыкового шва, имеет канавку, различные формы которой представлены на рис.1.2. Чаще всего используют канавки прямоугольной формы (рис. 1.2, а), которые обеспечивают стабильные условия для формирования шва и удаления окисных пленок при довольно значительных смещениях линии стыка и дуги от оси канавки. Канавка, поперечное сечение которой показано на рис.1.2 б, обеспечивает плавный переход от усиления шва к основному металлу. Но из-за малой ширины ее надо применять вместе с дополнительной центрующей оснасткой. Для удаления окисных пленок в стыковых соединениях с остающейся подкладкой, изготовленной как единое целое со свариваемым элементом, используют прямоугольные и наклонные канавки (рис.1.2, в), которые просты в изготовлении. Кроме удаления окисных пленок такая канавка уменьшает теплоотвод от сварочной ванны в сторону более толстого элемента замкового соединения. удаления окисных пленок из корня шва при односторонней сварке стыковых соединений на подкладке с канавкой показан на рис.1.3. Канавка, как уже говорилось ранее, препятствует отводу теплоты от свариваемых кромок в подкладку и способствует опусканию окисных пленок вместе с расплавленным металлом сварочной ванны в нижнюю часть сварного шва. [pic]
Рис.1.3. Схема удаления окисных пленок из корня шва при односторонней сварке стыковых соединений на подкладке с канавкой:
1 – электрод; 2 – свариваемый металл; 3 – расплавленный металл сварочной ванны; 4 – окисные пленки на поверхности соединяемых кромок; 5 – подкладка с канавкой; 6 – металл шва.

Вероятность полного удаления окисных пленок с торцевых поверхностей свариваемых кромок повышается с увеличением глубины канавки. В то же время слишком глубокая канавка требует дополнительного расхода сварочной проволоки для ее заполнения, а чрезмерно высокий валик на обратной стороне шва будет способствовать концентрации напряжений в зоне сплавления. На практике обычно применяют подкладки с глубиной канавки 1.2-2 мм. При правильно выбранном и стабильном режиме сварки такая глубина канавки более чем в 1.5 раза превышает высоту оставшихся под дугой окисных пленок и обеспечивает их полное удаление в поверхностный слой нижнего усиления шва.
Канавка должна иметь достаточную ширину, чтобы обеспечить нормальное прогибание окисных пленок на нижней поверхности состыкованных кромок в условиях возможного смещения стыка в процессе сварки.
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). [pic] 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. [pic]
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. [pic] 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] [pic] 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.