Алюминий и его сплавы.
Алюминий – легкий, плотность 2,7 г/см3, температура плавления 6580С, обладает высокой тепло- и электропроводностью, низкой прочностью, большим сродством к кислороду. Сплавы алюминия занимают второе место в мире по применению после стали. Из них изготавливают емкости для химической и пищевой промышленности, корпуса ракет и судов, самолеты, вагоны, посуду и многое другое. Это обусловлено малой массой и хорошими механическими свойствами сплавов алюминия. Прочность некоторых сплавов достигает 600 МПа (как сталь).
Алюминиевые сплавы в зависимости от химического состава, способа применения и вида обработки делят на деформируемые (используемые в катанном, прессованом, кованном видах) и литейные (используемые в виде литья).
Все деформируемые сплавы делят на две категории:
Первая категория – сплавы, термически не упрочняемые, к ним относятся двойные сплавы типа АМц (Al – Mц) и АМг (Al-Мg). Они характеризуются умеренной прочностью, хорошей пластичностью, повышенной коррозионной стойкостью.
Вторая категория – термически упрочняемые сплавы, которые делятся на три группы:
1 группа – авиали типа АВ (Al-Mg-Si) обладают хорошей коррозионной стойкостью в естественно состаренном состоянии;
2 группа – дуралюмины типа Д (Al-Cu-Mg), имеющие широкое распространение. Эти сплавы имеют различные свойства, поэтому их делят на три подгруппы:
1) дуралюмины с хорошей пластичностью (Д18, Д3П);
2) дуралюмины средней прочности (Д1);
3) дуралюмины повышенной прочности (Д16, Д17).
3 группа – сплавы высокой прочности (В95, он состоит из Al-Cu-Mg-Zn).
Технический алюминий и все термически не упрочняемые сплавы хорошо свариваются. Из термически упрочняемых сплавов к свариваемым относятся АВ, АД31, АД33, АД35, Д20, ВАД1, АЦМ, В92Ц (Al-Zn-Vg-Cu).
Особенности сварки алюминия.
1) Легкая окисляемость алюминия приводит к образованию плотной тугоплавкой пленки Al2O3 (температура плавления 20500, плотность 3,6 г/см3, прочность до 200 МПа). Оксидная пленка образуется на поверхности основного металла, на поверхности капли присадочного металла, на поверхности сварочной ванны, препятствует сплавлению частиц металла, так как при нагреве металл под пленкой расплавляется быстрее, пленка разламывается, попадает в сварочную ванну и загрязняет сварной шов неметаллическими включениями, резко снижая показатели прочности и пластичности.
2) Для обеспечения формирования шва при сварке необходимо разрушить оксидную пленку. Это достигается за счет катодного распыления при горении сварочной дуги в среде аргона (переменный ток, постоянный ток обратной полярности), высокой концентрации теплоты при сварке в гелии на постоянном токе прямой полярности, воздействия составляющих флюса или покрытия электрода. Действием тока может быть разрушена тонкая пленка оксида. Толстые оксидные пленки необходимо удалять перед сваркой механическим или химическим путем.
3) Алюминий при расплавлении не меняет своего цвета, поэтому затруднено визуальное наблюдение за процессом сварки и управление им, это может
привести к прожогам. Прожоги образуются в связи с высокой жидкотекучестью и малой прочностью при температуре более 5500 С. Для их предотвращения необходимо при однослойной сварке или сварке первых слоев многопроходных швов с большой погонной энергией необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.
4) Высокий коэффициент теплового расширения (в два раза выше, чем стали) приводит к значительным остаточным деформациям. Поэтому при сварке необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью пневматических или гидравлических прижимов на специальных стендах для крепления полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой теплопроводности алюминия приспособления следует изготавливать из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали и т. п.)
5) Высокая растворимость водорода в расплавленном алюминии и резкое изменение растворимости при переходе алюминия из жидкого состояния в твердое, в момент кристаллизации и при большой скорости охлаждения, приводит к образованию пор. Растворимость водорода снижается при введении в алюминий Сu, Si и Sn, тогда как добавки Mn, Ni, Mg, Fe и Cr, наоборот, вызывают ее повышение. Основными источниками появления водорода в среде инертных газов является влажность защитной среды и присутствие газов и влаги на поверхности свариваемого материала. При этом основной объем водорода (около 60 %) поступает с поверхности металла сварочной проволоки.
Для уменьшения пористости и повышения плотности сварного соединения поверхности кромок и проволоки подвергают обработке (химическое травление, шабрение).
6) Алюминий склонен к образованию кристаллизационных трещин, особенно в присутствии в нем железа (более 0,8 %) и кремния (более 0,6 %). Повышенная склонность к образованию кристаллизационных горячих трещин наблюдается при сварке сплавов систем Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn и Al-Si. Металлургические способы уменьшения склонности к образованию трещин предусматривают введение в основной металл и сварочную проволоку химических элементов, которые изменяют пластичность металла в твердо-жидком состоянии.
7) При сварке термоупрочняемых сплавов металл под действием термического цикла сварки разупрочняется в зоне термического влияния. Прочность сварного соединения в этой зоне составляет 60…70 % прочности основного металла, поэтому после сварки целесообразно осуществлять термообработку (закалку или искусственное старение) для восстановления исходных свойств металла.
1.3 Подготовка металла к сварке. Независимо от способа сварки
алюминиевые изделия перед сваркой должны проходить специальную
подготовку.
Перед сборкой детали стыкуемых кромок нужно зачистить на ширине 20…100 мм (в зависимости от способа сварки) шабером или стальной щеткой из нагартованной коррозионно-стойкой проволоки диаметром 0,1…0,2 мм
при длине ворса 30 мм. Затем кромки обезжиривают растворителем (бензин, ацетон). Качество будет выше, если вместо растворителя детали травить 5…8 минут в щелочной ванне при температуре 650 С с последующей промывкой и сушкой.
Сварочную проволоку очищают от смазки паром или горячим водой, травят 5…10 минут в 2…3 % растворе щелочи NaOH при температуре 60…700 С, промывают проточной водой при температуре 500 С, в холодной воде и осветляют в 15 % растворе азотной кислоты в течении 2…5 минут при температуре 60…700 С.
При массовом производстве механическую зачистку заменяют травлением по режиму для проволоки.
Важно соблюдать нормативную длительность хранения материалов перед сваркой. Основной металл после шабрения должен храниться не более трех часов, сварочная проволока после химического травления – не более восьми часов. Необходимо обеспечить определенные производственные условия: влажность воздуха не более 75…85 %, запыленность по 4 классу чистоты и температура 18…200 С. В сборочных цехах не допускается выполнение работ, связанных с интенсивным образованием пыли и дыма (газовая резка, электродуговая сварка, зачистка абразивными кругами и т. п.)
Без разделки кромок можно сваривать детали с толщиной кромок до 3…6 мм, а с двух сторон – до 10 мм. Разделку делают V-образную с углом раскрытия кромок 60 –70° (меньше, чем на стали) и с притуплением не менее 0,25 толщины кромок.