Сварка алюминия и его сплавов

1.

Сварка алюминия и его сплавов

2.

Чистый алюминий в виду своей низкой прочности (9–12
кГс/мм^2) используется в отдельных случаях пищевой,
электротехнической промышленности, химическом
машиностроение.
Алюминий высокой чистоты находит применение в ряде
отраслей, например в производстве полупроводниковых
устройств. Основное назначение: полуфабрикаты из
алюминиевых сплавов (листы, профили, трубы).
Алюминий отличается малой плотностью, в зависимости от
степени чистоты можно выделить следующие виды:
99,25% Al
ρ = 2,727 г/см3,
99,75% Al
ρ = 2,700 г/см3.

3.

Плотность зависит и от температуры:
Т = 20 0С
99,750%
Т = 659 0С (твердое) 99,750%
Т = 659 0С (жидкость) 99,750%
ρ = 2,700 г/см3,
ρ = 2,550 г/см3,
ρ = 2,380 г/см3.
Этим объясняется сложность сварки из-за
особенности усадки, также и при изготовление литых
деталей.
Алюминий имеет разную температуру плавления:
Алюминий высокой чистоты
– 660 град. С;
Алюминий технический
– 658 град. С;
АМг6
– 628 град. С.

4.

Алюминиевые сплавы
Деформируемые
Литейные

5.

Классификация и характеристика промышленных сплавов
алюминия
1) Деформированные сплавы;
2) Литейные сплавы;
3) Деформированные, не упрочняемые термической обработкой сплавы;
4) Деформированные, упрочняемые термической обработкой сплавы.

6.

Теоретической границей является предел растворимости элементов в твердом
растворе. Деформированные сплавы имеют концентрацию легирующих
элементов меньше предела растворимости и при нагреве могут быть приведены
в однофазное состояние, которым обеспечивается высокая деформационная
способность.
Концентрация легирующих элементов в литейных сплавах превышает их
предельную растворимость в алюминии, поэтому эти сплавы имеют эвтектики,
что сообщает сплавам хорошие литейные свойства: жидкотекучесть, хорошая
заполняемость формы, но ухудшает их способность к деформации.

7.

Все деформированные сплавы делят на:
– не упрочняемые термической обработкой (твердые
растворы, имеющие концентрацию легирующих
элементов ниже предела растворимости при
комнатной температуре);
– термически упрочняемые деформированные
(концентрация легирующих элементов свыше этого
предела).

8.

Деформированные сплавы не
упрочненные термической обработкой:
1) технический алюминий (95,25%);
2) АМц;
3) сплавы типа магналий;
4) АМг1, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6,
АМг61;

9.

Деформированные термической обработкой сплавы
делят на 6 групп:
1) Дуралюмины – сплавы типа Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40,
Д18 (система Al–Cu–Mg);
2) Авиали –АВ, АД31, АД33, АК6, АК8 (система Al–Mg–Si; Al–
Cu–Mg–Si): АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8;
3) Сплавы на основе системы Al–Cu–Mg–Fe–Ni: АК2, АК4, АК41.
4) Сплавы на основе системы Al–Cu–Mn: Д20, Д21, ВАД23.
5) Сплавы на основе системы Al–Zn–Mg–Cu: В93, В94, В95, В96.
6) Сплавы на основе системы Al–Mg–Zn: В92, В92Ц, АМц.

10.

Сложности при сварке
алюминия и его сплавов

11.

Поверхность алюминия и его сплавов
покрыта плотной и прочной оксидной
плёнкой (окисью алюминия).

12.

Окисная пленка на
поверхности алюминия и его
сплавов затрудняет процесс
сварки. Обладая высокой
температурой плавления
(2050° С), окисная пленка не
расплавляется в процессе
сварки и покрывает металл
прочной оболочкой,
затрудняющей образование
общей ванны.

13.

Важной характеристикой окисной
пленки алюминия является ее
способность адсорбировать газы, в
особенности водяной пар.
Последний удерживается окисной
пленкой до температуры плавления
металла.

14.

Коэффициент теплового расширения
окисной пленки почти в 3 раза меньше
коэффициента расширения алюминия,
поэтому при нагреве металла в ней
образуются трещины. Оксидная плёнка
разрушается в виде отдельных кусков,
которые попадая в сварочную ванну
образуют опасный вид дефекта –
оксидное включение.

15.

Для осуществления сварки должны быть
приняты меры по разрушению и удалению
пленки и защите металла от повторного
окисления. С этой целью используют
специальные сварочные флюсы или сварку
осуществляют в атмосфере инертных
защитных газов. Вследствие большой
химической прочности соединения А12О3
восстановление алюминия из окисла в
условиях сварки практически невозможно.
Не удается также связать А12О3 в прочные
соединения сильной кислотой или
основанием.

16.

В условиях электродуговой сварки в инертных
защитных газах удаление окисной пленки
происходит в результате электрических
процессов, происходящих у катода (катодное
распыление).

17.

Водород, в отличие от других газов,
обладает способностью растворяться в
алюминии и при определенных условиях
образовывать поры в металле швов.

18.

Изменение растворимости водорода в алюминии при
различных температурах

19.

Основным источником водорода,
растворяющегося в сварочной ванне,
является реакция взаимодействия влаги,
содержащейся в окисной пленке, с
металлом:
2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H

20.

При наличии паров воды в зоне ванны
концентрация растворенного в металле водорода
может оказаться намного больше равновесной.
При охлаждении растворенный водород в связи
с понижением растворимости стремится
выделиться из металла. Пузыри выделяющегося
водорода, не успевая всплыть из ванны,
остаются в шве, образуя поры.

21.

Основным источником водорода,
растворяющегося в металле шва при
аргонодуговой сварке, является влага,
адсорбированная поверхностью металла и
входящая в состав окисной пленки в виде
гидратированных окислов. Количество ее
определяется состоянием поверхности
металла и зависит от обработки его перед
сваркой.

22.

Поэтому основной мерой борьбы с
пористостью при сварке алюминия является
снижение концентрации растворенного в нем
водорода до предела ниже
0,69 – 0,7 см^3/100 г металла.

23.

Выделение водорода с единицы поверхности алюминия при нагреве
Подготовка поверхности
Травление:
в растворе ортофосфорной
кислоты
……………………….............
в щелочной ванне с осветлением в
азотной
кислоте……………………….
Зачистка поверхности проволочной
щеткой
....................................................
Электрополирование поверхности
а, см3/см2
для основного
металла
для проволоки
0,0008
0,001
0,00165
0,0018
0,004
---
---
0,00022

24.

Предупреждению пористости при сварке
алюминия может способствовать сокращение
удельной поверхности присадочной проволоки
за счет увеличения ее диаметра и уменьшения
доли участия присадочного металла в
образовании шва.
Рациональную обработку поверхности
проволоки и основного металла применяют с
целью уменьшения толщины окисной пленки и
запаса имеющейся в ней влаги.

25.

Удаление окисной плёнки
с поверхности свариваемого
металла

26.

Механическая зачистка с помощью металлических
щеток.
Обезжиривание 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 60-70°С.
Травление в течении 1 – 3 мин в 5% растворе
щелочи NaOH или КОН.

27.

Смывание остатков щелочи и продуктов реакции
сначала горячей, а потом холодной водой
Пассивация 20% азотной кислотой (HNO3),
нагретой до температуры 60 град.
Промывка деталей холодной, затем горячей водой и
их сушка

28.

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

29.

Очистка в процессе сварки: Катодное
распыление
Присутствующие в дуге положительные ионы
инертных газов разгоняются катодным
напряжением и ударяют в поверхностный
слой окисной пленки, разрушая его.
Результаты этого процесса остаются в виде
беловатых полос по сторонам шва.

30.

Очистка в процессе сварки: Термическая
очистка
Осуществляется при сварке на прямой
полярности
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 1700 °С, область очищенной
поверхности практически ограничена анодным
пятном.

31.

Очистка в процессе сварки: Использование
очищающих флюсов
Действие флюсов для сварки алюминия основано
на процессах растворения и смывания
диспергированной окисной пленки расплавленным
флюсом, поскольку:
• восстановление алюминия из окисла в условиях
сварки практически невозможно;
• не удается связать А12О3 в прочные соединения
сильной кислотой или основанием.

32.

Очистка в процессе сварки: Использование
подкладок с канавками
Форма поперечного сечения канавки:
а – прямоугольная, б – квадратная со скругленными кромками, в –
квадратная наклонная.
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.

33.

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 плёнки на поверхности соединяемых
кромок; 5 – подкладка с канавкой; 6 – металл шва.

34.

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.

35.

Сварка алюминия и его
сплавов

36.

Для сварки алюминия и его сплавов применяют
следующие основные способы сварки:
• Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом;
• Автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся
электродом;
• Ручная дуговая покрытыми электродами;
• Автоматическая аргонодуговая сварка плавящимся
электродом;
• Механизированная аргонодуговая сварка плавящимся
электродом;
• Автоматическая сварка под слоем флюса.

37.

К числу технологических особенностей сварки
алюминия необходимо отнести предварительный
подогрев, снижающий вероятность порообразования
из-за снижения кол-ва влаги в окисной плёнке.
Нагрев производят используя газовые горелки
(восстановительное пламя), горячий воздух или
электроконтактные нагреватели.
Температуру контролируют с помощью
контактных термопар или термокарандашей.

38.

39.

Ручная дуговая сварка алюминия

40.

При толщине 12 мм и более прихватку и сварку
производить с подогревом до 250-350°С.
Прихватку и сварку производят на постоянном токе
обратной полярности.
Зазор при сборке устанавливается в зависимости от
толщины металла в пределах до 3 мм.
При длине шва более 500 мм рекомендуется
применять обратно-ступенчатый способ сварки.

41.

42.

Дуговая сварка в среде инертных газов
Сварку осуществляют неплавящимися
(вольфрамовыми чистыми, лантанированными
и иттрированными) и плавящимися
электродами.
Используемые инертные газы: аргон высшего и
первого сорта по ГОСТ 10157-79, гелий
повышенной чистоты, смесь аргона с гелием.
Выбор конкретного способа сварки
определяется конструкцией изделия и
условиями производства.

43.

Ручная дуговая сварка вольфрамовым
электродом
Сварка осуществляется при питании дуги от источников
питания переменного тока (установки типа УДГ, УДГУ).
Расход аргона составляет 6 ... 15 л/мин. При переходе на
гелий расход газа увеличивается примерно в 2 раза.
Напряжение дуги при сварке в аргоне 15 ... 20 В, а в гелии
25 ... 30 В.

44.

45.

46.

Производительность сварки вольфрамовым
электродом можно повысить в 3 ... 5 раз, если
использовать трехфазную дугу. Благодаря более
интенсивному прогреву за один проход на
подкладке сваривают листы толщиной до 30 мм.
Сварку осуществляют как ручным, так и
механизированным способом.