Сварка алюминия и его сплавов.

Первые предположения о наличии в глинах металла были высказаны английским ученым Деви в 1808г, а в 1825г. датчанин Эрстед получил первый алюминий. Широкое применение алюминия началось в конце XIX века. Наиболее характерные свойства чистого алюминия - небольшая плотность (у =2,7г) и низкая температура плавления (660 °С). По сравнению с железом, у которого у = 7,8, а tпл =1535°С, алюминий имеет почти в три раза более низкую плотность, вследствие чего алюминий и его сплавы широко применяют там, где малая плотность и большая удельная прочность имеют важное значение. Благодаря более низкой температуре плавления алюминия по сравнению с железом технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали. Прокатанный и отожженный алюминий высокой чистоты имеет Пр= 58МПа, твердость 25 НВ, б = 40%.

Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Параметр решетки при 20°С равен 0,404 нм, атомный радиус 0,143 нм. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления. Несмотря на достаточно высокую химическую активность, алюминий подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах весьма слабо, вследствие образования на поверхности плотного окисной плёнки. Наиболее чистый алюминий - особой чистоты, содержит 99,999% А1, сумма всех примесей составляет не более 0,001%. В промышленности в зависимости от требований применяют алюминий высокой чистоты (99,995 - 99,95 % А1) и технической чистоты (99,85 -99,0% А1). Основные (постоянные) примеси, загрязняющие алюминий, это железо и кремний. Основные свойства алюминия позволяют определить три основных направления применения технического алюминия:

1) высокая пластичность позволяет производить из алюминия глубокую штамповку, прокатку до тонкой толщины (например, алюминиевая фольга.);

2) высокая электропроводность (65 % от меди) позволяет применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл);

3) высокая коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий, особенно для транспортировки и хранения продуктов питания.

Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов основана на изменении растворимости соединений в основном алюминиевом растворе, а конкретно для сплавов А1-Сu на изменении растворимости соединения СuА12 в алюминии.

Основные физические и механические свойства алюминия:

Атомная масса 26,98

Плотность при 20^оС, г/см³ 2,7

Температура, ^oС:

Плавления 660

кипения 2497

Скрытая теплота плавления, кал/г 92,4

Удельная теплоёмкость при 20 оС, кал/ (г. град) 0,222

Удельное электросопротивление при 20оС, Ом. мм²/м 0,027-0, 030

Модуль нормальной упругости при растяжении
отожжённого алюминия, кг/мм² при температуре, ^оС:

20 6000-7000

200 5500

Временное сопротивление, кг,/мм²:

отожжённого 8

деформированного 15
Относительное удлинение алюминия, %:

отожжённого 30-40

деформированного 5-10

Твёрдость НВ алюминия:

отожжённого 13-20

деформированного 25-35

литого 13-25
Теплопроводность при 20^оС, кал/(см х сек х град) 0,52

Коэффициент линейного расширения а 20-100^о, 1/град 23,8х10-6

Предел упругости алюминия отожжённого, кг/мм² 3-4
Предел текучести алюминия, кг/мм2:

Отожжённого 5-8

Деформированного 12

Модуль сдвига при 20^оС, кг/мм² 2760

Предел ползучести при 15^оС, кг/мм² 5

Относительное сужение алюминия, %:

Отожжённого 70-90

Деформированного 50-60

Предел прочности при сжатии литого алюминия, кг/мм² 42

Ударная вязкость литого алюминия, кг х м/см² 14

В сварных конструкциях используют чистый алюминий и его сплавы. Сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, применяемые в виде проката, поковок и т. п., и литейные, применяемые для отливок. Сварка алюминия и сплавов (обозначение АЛ) используют при исправлении дефектов литья. Деформируемые сплавы разделяют на нетермоупрочняемые (система легирования Аl-Мn марки АМц, Аi-Мg марки АМг) и термоупрочняемые - более сложной системы легирования (Аl-Мg-Си; Al-2n-Мg; Аl-Si-Мg). Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожженном состоянии и поэтому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в зоне термического влияния. При сварке алюминия, термоупрочненных сплавов вследствие выпадения интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется (прочность сварного соединения в этой зоне составляет 60 - 70% прочности основного металла). Поэтому применение сплавов этой группы для сварных конструкций нецелесообразно. Если после завершения сварки алюминия возможно осуществить двойную термообработку (закалку и искусственное старение) для восстановления исходных свойств металла в разупрочненном металле зоны термического влияния, применение их для сварных конструкций целесообразно. Эффект естественного старения недостаточен для полного восстановления исходных свойств металла в этой зоне.

Трудности сварки алюминия и его сплавов следующие:

1.Наличие и возможность образования при сварке алюминия тугоплавкого окисла Аl2O3 (Тпл = 2050°С) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки следует очищать поверхности кромок и прилегающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла (в связи с большой поверхностью и относительно малым объемом), травлением или механическим путем. Окисную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо, применяя флюсы, которые обеспечивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение. Аl₂О₃+6КСl=2АCl₃+ЗК₂О и растворение Аl₂О₃ в криолите NзАl Р6 с образованием легкоплавкого шлака (МаСl снижает температуру плавления криолита). Криолит не только растворяет Аl₂О₃, но, изменяя поверхностное натяжение металла, способствует образованию мелкокапельного переноса электродного металла. Остатки флюса и шлака (едкие щелочи) способствуют коррозии алюминия. Поэтому при применении флюсов и покрытых электродов после сварки необходимо смывать остатки флюса и шлака горячей водой.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах сварки может привести к разрушению (проваливанию) твердого металла не расплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать при сварке через корень шва. Размеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически не меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожогов при однослойной сварке или сварке первых слоев многопроходных швов на большой погонной энергии необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости алюминий имеет повышенную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью грузов, а также пневмо или гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой теплопроводности алюминия приспособления следует изготовлять из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали и т. п.).

4.Необходима самая тщательная химическая очистка алюминиевой сварочной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свариваемых кромок, так как сварку алюминия осложняет не только окисная пленка. 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. Водород, растворенный в жидком алюминии должен в количестве 90 - 95% своего объема выделиться из металла в момент его затвердевания. Этому препятствует пленка тугоплавких окислов и низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии. Поры образуются преимущественно в металле шва; часто наблюдают поры у линии сплавления в связи с диффузией водорода из основного металла под действием термического цикла сварки. Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150 - 250°С при сварке толстого металла замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120 - 150°С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

5.При сварке алюминия металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкоплавких эвтектик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%). Легкоплавкая эвтектика на основе кремния (Тпл = 577° С) приводит к появлению трещин, если содержание кремния невелико (до 0,5%); при содержании кремния свыше 4 - 5% образующаяся эвтектика «залечивает» трещины. При обычном содержании кремния (0,2 -0,5%) в металл шва вводят железо (Fе > 31), что приводит к связыванию кремния в тройное соединение Fе - 31 - А1 входящей в состав тугоплавкой перитектики. Это препятствует растворению кремния в жидком ликвате. При сварке сплавов системы Аl-2n-Мg возможно замедленное разрушение - образование холодных трещин спустя некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напряжений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

Алюминий и его сплавы можно сваривать многими способами дуговой сварки: угольным электродом, металлическим покрытым электродом, плавящимся электродом по слою флюса, вольфрамовым и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов и электрошлаковой сваркой. Наибольшее в настоящее время имеет ручная и механизированная сварка в инертных газах.