Особливості технології та техніки зварювання алюмінію та алюмінієвих сплавів.

Основна складність при зварюванні алюмінію та його сплавів ─

1) наявність на поверхні металу щільної тугоплавкої оксидної плівки Аl₂О₃

(Тпл = 2050⁰С), яка перешкоджає сплавленню металу зварювальної ванни з основним металом (формуванню шва) та є джерелом неметалевих включень в металі шва.

Для отримання якісних з'єднань при зварюванні плавленням потрібен захист шва від насичення газами атмосфери та прийняття спеціальних заходів

для видалення або руйнування плівки оксидів. Це досягається дією току (ка-тодне розпилення) або впливом складових флюсів або покриттів електрода на

оксид алюмінію. Дія флюсів заснована на процесах розчинення та змивання

диспергованої оксидної плівки розплавленим флюсом.

Аl2O3 + 6KCl «2AlCl₃ ↑ + 3H₂O

(В тріщини Аl₂О₃ затікає флюс, утворює АlСl₃, який сублімує при Т = 183⁰С і його пари відривають частки плівки від поверхні, вони відносяться флюсом, що рухається та частково в ньому розчиняються).

(Катодне розпилення ─ позитивні іони, що рухаються з великою швидкістю,

попадаючи на поверхню метала, руйнують оксидну плівку)

2) Внаслідок високої теплоповідності алюмінію необхідно застосування потужних

джерел теплоти. При зварюванні плавленням алюмінію необхідний струм Ізв.,

який перевищує в 1, 2 – 1, 5 разів струм для сталі, не зважаючи на те, що

Тпл Аl < < Тпл сталі. Інколи застосовується нагрів начальних ділянок шва до

Т = 120 - 150⁰С (для масивних деталей).

Розміри зварювальної ванни при зварюванні алюмінію відрізняються від зварювальної ванни при зварюванні сталі. (Fе)

Велика рідкоплинність алюмінію та мала його міцність при Т > 550⁰С

(провалювання твердого металу той частини кромок, що не розплавилася, під

впливом ваги зварювальної ванни) обумовлює застосування прокладок, що фор-

мують, зі сталі або графиту.

Значна усадка при затвердінні зварювального шва, а також високий коефі-ціент лінійного розширення призводять до суттєвих залишкових деформацій (більших, ніж при зварюванні низьковуглецевих сталей) ─ коробленню. Треба використовувати жорстке закріплення деталей, притискувачі та інше, використову-вати зосереджені джерела нагріву.

Основні типи з'єднань, які використовують при зварюванні алюмінію, та його сплавів, регламентовані ГОСТ 14806 ─ 80. Найбільш раціональним типом з'єднання є стикові. Нахлест, тавр., та углер. бажано виконувати АДС, для якої не потрібні флюси. (можлива корозія через попадання залишків флюсів в

зазори).

Для шовного та точкового зварювання ─ нахлест. з'єднання.

Через те, що швидкість плавлення алюмінієвого дроту в 5 разів більша,

ніж сталевого дроту, при зварюванні алюмінію збільшують кут розроблення кромок до 70…90⁰ (при зварюванні сталей α =40…55⁰)

Складання деталей під зварювання виконують за допомогою прихваток АДС НЕ (ручної) тими самими присаджувальними матеріалами, з якого склада-ється основне з'єднання. В серійному та масовому виробництві складають вузли

в спеціальних кондукторах та пристроях без прихваток.

Підготовка до зварювання

Перед зварюванням видаляють жирове забруднення (на ширині 100…150мм

від кромки) ацетоном, авіаційним бензином, уайт-спіритом та іншими розчинни-

ками.

Плівку оксидів видаляють механічними способами або хімічним травлен-ням.

При механічних способах кромки, що зварюються, на ширині 25…30 мм зачищують шабером, наждачним папіро або металевою щіткою.

Хімічне травлення здійснюється протягом 0, 5…1 хвилини в реактиві

50 г NaΟ Η + 45 г NaF на 1 літр води (Т = 60…70⁰С) (45 ─ 50 г/л NaΟ Η)

Після травлення промивка в проточній воді та освітлення протягом 1 ─ 2 хв.

в 30…35% розчині Η NΟ 3 (для алюмінію та АМц) або 25% розчині ортофосфорної кислоти (для АМц та В95).

Після цього ─ промивка в проточній воді та просушка. Підготовлена по-верхня зберігає свої властивості протягом 3 ─ 4 днів.

Для очищення алюмінієвого зварювального дроту рекомендована така об-робка:

─ знежирення розчинником;

─ травлення в 15% розчині технічного NaΟ Η протягом 5 -10 хв. при

Т 60…70⁰С;

─ промивка в гарячій (60…70⁰С) воді;

─ промивка в холодній воді;

─ сушіння;

─ вакуумне сушіння (дегазація при Т = 3500С протягом 5…10 годин в

вакуумі).

─ або замість вакуумного сушіння ─ прокалювання на повітрі при Т = 300⁰С

протягом 10…30 хвилин.

Хороші результати (особливо для АМг) дає електрохімічне полірування

поверхні алюмінієвого дроту.

Після травлення в NaΟ Η дріт подають в ванну з електролітом (700мл

Η ₃PO₄, 300 мл Η ₂SO₄, 42 г Cr₂Ο ₃).

На дріт через мундштук від джерела постійного струму подається пози-тивний потенціал [ (─) в елекро (при dе = 1, 6 мм → І = 19, 8 А, при dе = 2, 5мм

→ І = 13-А). Т = 95 ─ 100⁰С.

Перевага ─ висока сталість горіння дуги.

Виконується на перемінному симетричному струмі від джерела живлення з

зовнішніми ВАХ, що падають.

Зварювання неплавленим електродом Ǿ 2…6 мм є доцільним для S < 12 мм

ручне до S = 8 - 10 мм

(14…16 мм) автоматичне до S = 14 – 16 мм

При S = 0, 8…2 мм зварювальні з'єднання з відбортовкою.

При S ≤ 3 мм ─ один прохід на сталевій підкладці.

При S = 4…6 мм ─ двобічне зварювання.

При S > 6…7 мм ─ U або Х - подібна розділка.

Для РДС використовують присаджувальний дріт (в залежності від товщини

→ d п.д.).

S₁ мм ─ < 2 2…5 > 5

d п.д., мм 1-1, 5 1, 5…3 3…4

При РДС пальник переміщують " кутом вперед", " лівим способом" (при

S ≤ мм).

При механізації автоматичного зварювання пальник під прямим кутом до

виробу, а присаджувальний дріт подається таким чином, щоб її кінець спира-вся на край зварювальної ванни.

Пристрій УДГ ─ для ручного зварювання, напівавтомати ПШВ- 1 ПШВ-3

для механізірованого зварювання, автомати АДНГ-300, АДСВ-2 АРК ─ для авто-матичного, АДСВ-5 ─ кільцеві шви.

Спеціальні способи зварювання ІН.

1) в зварюванні в суміші Ar (50…70%) + Не (30…50%) ─ забезпечує збіль-шення глибини проплавлення металу, підвищення в 1, 5…2 рази швидкості зва-рювання, зменшення пустот в металі шва.

2) зварювання в Не відрізняється підвищеною здатністю до проплавлення та

спроможністю до підвищення швидкості зварювання Vзв.

Не в 4 – 5 разів дорожчий, ніж Ar.

Зварювання виконують на постійному струмі прямої полярності. теплопровідність

та теплоємність Не в 10 разів вища, ніж Ar.

За один прохід в гелії можна зварити S ≤ 20 мм. без розділки кромок.

З'єднання без розділки кромок, зазор ≤ 0, 5 мм.

Висока концентрація енергії дуги сприяє отриманню вузьких швів та змен-шенню розмірів ЗТВ (особливо суттєво для зварювання термічно зміцнених

сплавів), менше деформації. Тому, що густина Не в 10 разів менша, ніж гу-

стина Ar, то витрата Не повинна бути більшою, ніж Ar (в 1, 8…2, 2 рази)

Напруження при зварюванні в гелії Uд = 25…30 В (в Ar Uд = 15…20 В).

Потужність дуги в Не більша, ніж Ar при однаковому струмі. Ускладнено збудження дуги в гелії на перемінному струмі через високій потенціал іонізації гелію. Т_дуги^не > Т_дуги ^Ar на 400…500⁰С ─ цього достатньо для терміч-ного розкладання Al²О³. Зварювання на короткій дузі (1…2 мм), тому зварю-вання, як правило, автоматична, зі спеціальними схемами АРНР.

3) зварювання W ─ електродом перемінним асиметричним струмом розширює

технологічні можливості за рахунок незалежного регулювання параметрів струму

прямої та зворотної полярності. Живлення від спеціального джерела промисло-вої частоти типу ОАРС. Струми при прямій та зворотній полярності розрізня-ються. Коефіцієнт асиметрії Кас. = ,

де Іп.п., Іо.п. ─ середнє значення складової струму прямої (Іп.п.) та зворотної

полярності.

Найбільш доцільно застосовувати Кас = 0, 2…0, 8, коли забезпечується мож-ливість впливу на форму шва та зберігається задовільне поєднання стійкості Wел. та ступенем катодного очищення.

Максимальним впливом, що проплавляє, характеризується дуга при Кас. ≈ 0, 6

Переважає пряма полярність → підвищення h, Vс, стійкості елек.

Переважає зворотна полярність → покращується очищення металу від ок-сидної плівки та покращується якість шва, що формується.

4) зварювання Wел трьохфазною дугою перемінним струмом.

Трьохфазне джерело живлення ІТД 600/1000

ІТДІ -125, ІТДІ – 315, ІТД – 350 S = 30…40мм

Три дуги в одному факелі:

1 - між ізольованими один від одного Wел;

2, 3 - між W та деталлю,

або два стандартних однофазних тр-ри, які

з'єднані трикутником.

За один прохід без розділки S = 20…30 мм

на прокладці. І мах = 1200А

Забезпечує велику проплавляючи здатність. Потужність зростає в 3…5 разів.

Глибину та ширину проплавлення можна регулювати розташуванням електродів.

послідовне розташування ─ підвищення h, поперечне розташування ─ підвищення Е.

5) Зварювання з застосуванням ЕМП.

6) Зварювання імпульсне від спеціального ДЖ.

Для малої товщини (S = 0, 2…1 мм).

Зменшується короблення в порівнянні зі звичайним зварюванням на 40…6%.

7) Зварювання зануреною дугою ─ за один прохід S ≤ 20 мм.

Спеціальні вольфрамові електроди (ітрій, тантан ─ добавки)

ІП - ІПД - 1000.

ІП  зварювання електродом, що плавиться  економічний потужний спо-

сіб зварювання метала товщиною більш ніж 4 мм. Для більш тонкого металу

не вдається добитися стабільного горіння дуги при дрібнокрапельному струйно-му перенесенні металу.

У зв'язку з недостатньо високою жорсткістю алюмінію зварювання дротом

d_е < 1, 2…1, 5 мм ускладнено. При використанні дроту вказаних діаметрів сталий

процес можна отримати при струмі не меншому 130…140 А, які дозволяють зварювати за один прохід метал товщиною 4…5 мм, але в зв'язку з крапель-ним переносом металу крізь дуговий проміжок більш забезпечити надійний за-

хист зварювального простору від попадання повітря, що погіршує механічні якості металу шва. Застосування І П постійного струму із жорсткою (d_е< 2, 5мм) або пологоспадкою (d_е≥ 2, 5мм) зовнішньою ВАХ.

Зварювання проводять на струмі зворотної полярності, що забезпечує на-дійне руйнування оксидної плівки за рахунок катодного розпилення (більшого,

ніж при прямої полярності та перемінному струмі) та нормальне формування

швів.

Зварювання електродом, що плавиться, виконують напівавтоматом або авто-

матом.

Полу автомати типу ПШП (ПШП – 10, ПШП - 10), ПРМ – 2, ПРМ – 4.

Автомати типу АДСП (АДСП - 2), АДПГ, АДГ.

Зварювання проводиться " кутом вперед".

l_g = 2…6 мм

Автоматичне зварювання застосовується: для S = 4…8 мм  без розділки кро-

(найчастіше для S > 10…20 мм) мок за два проходи;

для S = 8…15 мм  з U-подібною роз-

ділкою кромок;

для S> 20 мм…  з U-подібною або

Х-подібною розділкою кромки

Спеціальні способи зварювання ІП

1) В суміші аргону та гелію (до 70% по об'єму). Добавки гелію підвищу-ють ефективність зварювання (підвищує теплову потужність дуги) та можна

зварювати за 1 прохід S ≤ 16 мм, за два проходи S ≤ 30 мм.

При зварюванні в суміші Аr + Не підвищується щільність металу шва. При однаковій погонній енергії Vзв. в суміші газів на 45…50% вища, ніж в

аргоні.

2) Імпульсно-дугове зварювання електродом, що плавиться, розширяє можли-вості зварювання алюмінієвих сплавів при різних просторових положеннях. При

цьому поліпшується формування швів, підвищуються механічні якості зварю-вального шва, зменшується нижня межа зварювального струму, можна застосо-вувати дріт dе = 0, 8…1, 0 мм та зварювати S = 1…3 мм.

Зварювання полягає в тому, що на постійний струм зворотної полярно-сті, що отримують від І П, накладаються нетривалі імпульси струму з задан-ною частотою, що генеруються імпульсним пристроєм. При цьому отримують

дрібнокраплевий спрямований переніс ел. металу крізь дугу при більш низьких

значеннях Ізв., ніж це має місце при природному дрібнокраплевому переносі.

Плазмове зварювання, в зв'язку з необхідністю руйнування та видалення оксидної плівки, здійснюється стиснутою дугою перемінного та постійного струму зворотної полярності (при інтенсивному охолодженні W електроду (малі

токи).

Плазмове зварювання забезпечує ряд технологічних переваг в порівнянні з

АДС НЕ:

 підвищує продуктивність зварювальних робіт на 50…70% (висока швид-кість зварювання через велику концентрацію теплової енергії);

 зменшується ЗТВ та зменшуються деформації в порівнянні з АДС НЕ;

 стійкий процес горіння стиснутої дуги, мала чутливість до коливань дов-

жини дуги.

Зварювання S < 8 мм виконують без розділення кромок за один прохід на сталевій підкладці або з двох боків у висячому стані.

Установка УПС – 502, УПС – 801.

Мікроплазмове зварювання (Установка МПУ – 4, МПУ – 5)

Застосовують для зварювання S = 0, 2…1, 5 мм.

Плазмоутворюючий газ  аргон, захисний газ  Аr та Не.

Ізв. = 10…30 (100) А  перемінний струм або різнополярні прямокутні імпульси частоти, яка регулюється.

Існує чергове дугапостачанність струму (1 – 5 А), що безперервно горить між

соплом та W електродом.

РДС ПЭ застосовують для зварювання технічного алюмінію, сплаву АМц,

АМг (до 5% Мg), силумінів в малонавантажених конструкціях.

dмін.ел. ≥ 4 мм (5, 6, 7, 8мм). Іс ≈ 50…60 dе.

Постійний струм зворотної полярності.

Необхідний підігрів при S > 10мм до 250…400⁰С для отримання потрібного про-

плавлення при помірному зварювальному струмі.

Smin = 4 мм. В основному стикові з'єднання в нижньому положенні.

S ≤ 20 мм  без розділення, з двох боків на сталевій підкладці.

S > 20 мм U-подібне розділення.

Алюмінієвий електрод розплавляється в 2-3 рази швидше сталевого. В зв'язку з

цім V_зв^Аl повинна бути вища. Без коливань, не перериваючи процесу, коротка

дуга. Зварювання " правим" способом.

Недолік  внутрішня пористість швів.

Автоматичне зварювання з застосуванням флюсів.

а) Зварювання по флюсу напіввідкритою дугою застосовується при виготов-ленні цистерн, котлів, ємкостей з технічного алюмінію та АМц S = 10…30 мм.

Постійний струм зворотної полярності від стандартних джерел з полого спадної

або жорсткої ВАХ.

При однакових струмах h^Аl > h^сталі в 2…3 рази.

Не потрібен попередній нагрів.

Без розділяння кромок, двосторонні шви на сталевій підкладці. Одиночним або

здвоєним електродом.

Висота шару флюсу суворо обмежується і залежить від товщини та режиму

зварювання (Для S = 4…25 мм висота флюсу = 7…16 мм).

Залишки шлаку треба ретельно вилучати.

б) Зварювання під флюсом (закритою дугою) має недолік: навіть не роз-

плавлений флюс має велику електропровідність, шунтує дугу та порушує ста-бильність процесу, отримуємо погане формування шва та погана дегазація шва.

Глибоке проплавлення через велику щільність струму. не потребує розділе-ння кромок.

Разлужений електрод, перемінний або постійний струм зворотної полярності.

Керамічні флюси ЕКА – 64. Кращі умови праці зварника.

Застосовують для виготовлення шинопроводів.

ЭШС Аl, АМц, АМг6.

S = 50…200 мм пластинчатим електродом або плавким мундштуком.

Перемінний струм. Vзв = 6…8 м/год.

Апарати А – 550 з І.П. ТШС – 10000 – 1

ТШС – 3000 – 1

Флюси АН- А301.

Досягається рівноміцністю шва з основним металом

σ _ш = (0, 95…1) σ _о.м

Продуктивність наплавки Qн = 50…90 кг/год при S = 50 - 100 мм (в 10…20 разів вища, ніж при дуговому зварюванні).

Труднощі пов'язані з високою рідкоплинністю, низькою Т кип., низькою

Турист. алюмінію.

Знаходить широке застосування для високоміцних термічно зміцнених та

нагартованих алюмінієвих сплавів.

S = 0, 5… 350 мм (в Японії 600 мм).

Підготовка деталей  травлення + шабрування безпосередньо перед зварюванням.

Шви можна здійснювати у висячому стані (мала ванна).

Стикові, таврові, в напусток, кутові, з відбортовкою та інше.

Малий зазор 0, 1…0, 15 мм.

Переваги:

 висока питома концентрація енергії;

 мале тепловкладання;

 відносно висока швидкість процесу (до 100 м/год.).

 мале зменшення міцності в біляшовній зоні для термічного зміцнення

сплаву;

 мінімальне короблення виробу через малу ширину шва;

 сприятливі умови для видалення Н₂ та N₂ в вакуумі (зниження пористості);

 успішне руйнування та видалення оксидної плівки в вакуумі (механічний вплив на плівку пара металу);

 високі механічні якості зварювального шва.

Недоліки:

випаровування ЛЕ (Zn, Mg) Vзв. > 40 м/год.

Контактне зварювання, в основному точкове та шовне, застосовують для сплавів, що деформуються, АМц, Аl, АМг-6, Д16 та інші.

При контактному зварюванні алюмінієві сплави в зв'язку з їх високою те-

плопроводністю, необхідно застосовувати потужні короткочасні імпульси струму

(щільність струму до 2000 А/мм², тривалість імпульсу 0, 02…0, 4 с). Струм в

3- 4 рази більший, ніж при зварюванні сталі. Питомий тиск 59…98 МПа.

Особливу увагу приділяють підготовку поверхні деталей: механічна зачистка та

хімічне травлення.

Виконують з'єднання в напусток.

Точкове зварювання застосовується для S = 0, 04…6 мм.

Шовне зварювання застосовується для S = 4 мм.

Стикове зварювання застосовують переважно методом оплавлення (до 20 мм/с в кінці процесу). Високі та щільні струми 40…60 А/мм² перед осадкою.

Тиск осадки 15…30 кг/мм².

Дифузійне зварювання  АМг5 (6), АЛ25, АЛ26.

Важливу роль відіграє підготовка поверхні.

Режим зварювання: Т = 500⁰С, р = 10 мПа, t = 10 хв, вакуум 133•10^-5 мм.рт.ст.

Недолік: підготовка особливо чистої поверхні.

Пресове зварювання  передбачає підігрів деталей до Т = 350…430⁰С, пито-мий тиск ≈ 150 мПа.

Після підігріву бокові поверхні та поверхні, що стикуються, зачищають ме-

талевою щіткою.

Потім осадка.

Холодне зварювання  зварювання в твердій фазі, передбачає значну пластичну деформацію. Виконують на повітрі при кімнатної температурі. Застосовується для зварювання технічного алюмінію в напусток та у стик. Чистота поверхні має вирішальне значення. У стик з'єднуються проводи. Важко створити особливо чисту поверхню.

Ультразвукове зварювання  для з'єднання алюмінієвих сплавів малих тов-щин. З'єднання мають високу міцність на відрив та зріз.

Зварювання тертям  забезпечує задовільні механічні властивості. Нагрів де-

талей здійснюється теплотою, що генерується за рахунок роботи сил тертя.