Сварка алюминия и его сплавов презентация

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.

Плотность зависит и от температуры:
Т = 20 0С 99,750% ρ = 2,700 г/см3,
Т = 659 0С (твердое) 99,750% ρ = 2,550 г/см3,
Т = 659 0С (жидкость) 99,750% 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.

Алюминиевые сплавы
Деформируемые
Литейные

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.

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.

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).

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

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, АК4-1.
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.

Сложности при сварке алюминия и его сплавов

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

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.

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

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.

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.

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

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

Изменение растворимости водорода в алюминии при различных температурах

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

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.

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.

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.

Выделение водорода с единицы поверхности алюминия при нагреве

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.

Удаление окисной плёнки с поверхности свариваемого металла

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.

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Сварка алюминия и его сплавов

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.

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.

Ручная дуговая сварка алюминия

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.

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.

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.

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.