Особенности и основные способы сварки алюминия: краткая технология и необходимое оборудование

Алюминий – один из самых популярных конструкционных металлов, чему способствует его достаточная прочность, малый вес, отличные показатели тепло- и электропроводности. Тем не менее сварка алюминия представляет собой достаточно сложный и трудоемкий процесс.

Особенности сварки алюминия

Материал отличается:

• наличием тугоплавкой оксидной пленки (стойкой к температурам до 2050℃) при более низкой температуре плавления основного вещества (660℃);
• мгновенным формированием оксидных пленок на каплях свежерасплавленного металла, что мешает их соединению друг с другом;
• необходимостью применения высоких сварочных токов для компенсации теплопроводности;
• высокой жидкотекучестью, а, следовательно, необходимостью оперативного охлаждения;
• склонностью к деформациям и растрескиванию при остывании.

Последний фактор обычно связан с наличием в структуре алюминия примесей в виде пузырьков газов, частиц щелочных и щелочноземельных металлов.

Ряд сложностей может возникнуть при определении марки алюминия или его сплава (например, с магнием, марганцем, кремнием), особенно если процентное соотношение веществ неизвестно.

Вне зависимости от выбранного типа сварки алюминия требуется выполнение очистных и подготовительных операций, которые должны снизить влияние вредоносных факторов в процессе сварки. К таким операциям относят:

• отбортовку тонколистовых заготовок и кромкование заготовок большой толщины;
• разрушение оксидной пленки в среде инертных газов, которое включает механическое удаление поверхностного слоя и обезжиривание металла;
• предварительный прогрев заготовок до температуры 250-400℃ (используется только в «горячих» методах сварки, зависит от толщины и формы заготовки);
• установка теплоотводящих прокладок, обеспечивающих равномерное и быстрое охлаждение заготовок в процессе сварки.

Кроме того, при восстановительном сваривании может проводиться обработка дефекта проникающими диагностическими составами для определения глубины и формы трещин, а также расчетных показателей шва. Кромки обнаруженных трещин, как правило, разделываются.

После выполнения этих действий приступают непосредственно к свариванию металла. По завершении работ соединение промывается проточной водой, со шва удаляются шлаки и прочие загрязнения.

Ручная сварка вольфрамовым электродом в среде аргона (TIG)

Сварка алюминия в среде защитного газа (помимо аргона, может применяться гелий) стала в последние годы самой популярной и востребованной технологией.

Швы, наложенные данным методом, мало подвержены тепловым и усталостным деформациям, они остаются прочными и эластичными в течение всего периода эксплуатации изделия.

Ручная сварка алюминия в защитной среде предполагает использование вольфрамовых электродов диаметром от 1 до 5 мм, а также присадочных прутков диаметром от 1 до 4 мм. Для окончательного разрушения остаточных оксидных пленок применяются сварочные аппараты переменного тока. Конкретные параметры операций по методу TIG можно определить из таблицы.

Технология достаточно доступна, а потому широко используется не только в промышленных, но и в бытовых условиях. Для получения качественного соединения алюминиевых заготовок требуется лишь набор оборудования, включающий газонагнетающую установку, и определенные профессиональные навыки. Вот несколько советов, которые помогут правильно наложить сварочные швы:

1. Вольфрамовый электрод держат под углом 70-80° к рабочей поверхности, пруток – под прямым углом.
2. Пруток ведут первым, двигать его следует отрывисто, с периодическим подъемом вверх. Электрод следует за ним, формируя общую сварочную ванну с металлом прутка. Следует исключить любые поперечные движения.
3. Оптимальная длина сварочной дуги составляет 1,5-2,5 мм. Укорачивание дуги приводит к повышению температуры плавления, удлинение – к снижению.
4. Подачу газа включают за 3-5 секунд до начала сварки, отключают через 5-7 секунд после ее окончания. Это позволяет исключить оксидирование незастывшего металла.
5. Слишком интенсивная подача защитного газа не менее вредна, чем недостаточная. Она приводит к подсосу воздуха в зону сварки, что негативно сказывается на качестве швов.

Чтобы обеспечить эффективный теплоотвод, заготовку устанавливают на медный или стальной радиатор. Роль простейшего радиатора в бытовых условиях может играть свернутая проволока из металлов с высокой теплопроводностью.

При отсутствии такого охлаждения велик риск термических деформаций, искривления формы сварочной ванны и даже прожога заготовок.

Сварка полуавтоматом в среде аргона (MIG)

Полуавтоматические импульсные сварочные аппараты дают преимущество при работе с алюминием, так как генерируют серии импульсов, эффективно разрушающих поверхностные оксидные пленки. Кроме того, токи высокого напряжения «вбивают» в сварочную ванну капли металла прежде, чем на них успеют образоваться оксиды. Тем не менее при последующем плавлении и кристаллизации ванны не обойтись без защитного газа, роль которого традиционно играет аргон. Только в этом случае шов получится прочным, надежным и аккуратным.

При прочих равных условиях полуавтоматическое оборудование дает трехкратное преимущество в скорости сварки в сравнении с классическим TIG-методом, однако, требует применения более сложных и дорогостоящих технологических процессов. Кроме того, ручные швы, наложенные опытным сварщиком с использованием вольфрамового электрода и присадочного прутка, могут оказаться даже более качественными, чем швы, созданные полуавтоматом.

Полуавтоматическая сварка алюминия осуществляется постоянным током высокого напряжения с обратной полярностью. Одна из основных сложностей, связанных с этим процессом, заключается в равномерной и своевременной подаче мягкой алюминиевой проволоки в сварочную ванну. Чтобы избежать проблем, достаточно следовать нескольким простым правилам:

• для подачи алюминиевой проволоки необходимо использовать специальные наконечники с маркировкой «AL», иначе велик риск застревания материала ввиду его термического расширения;
• применять четырехроликовый подающий механизм, чтобы исключить вероятность возникновения петель и изгибов;
• скорость подачи должна быть достаточно высокой, так как проволока может начать плавиться еще до поступления в ванну.

Выбор конкретной марки проволоки и режима ее подачи диктуется составом алюминия или алюминиевого сплава, который будет свариваться, толщиной заготовок, режимом работы сварочного аппарата и способом обработки кромок. Зачастую первый фактор остается неизвестным, а, значит, подбирать материал приходится экспериментальным путем.

Электродуговая сварка покрытыми электродами (MMA)

Главное преимущество ручной электродуговой сварки покрытыми электродами – простота процесса и доступность оборудования. При сваривании алюминия она обычно используется в том случае, когда нет возможности реализовать MIG- или TIG-процесс, и только тогда, когда толщина заготовок составляет не менее 4 мм. Метод MMA обладает рядом существенных недостатков, среди которых:

• необходимость профессиональных сварочных навыков для создания ровного прочного шва;
• высокая вероятность образования пузырей в сварочной ванне;
• сильное разбрызгивание металла во время работы;
• сложности в удалении шлаков и загрязнений.

Обязательным условием при сварке алюминия покрытыми электродами является предварительный прогрев заготовок. В качестве основного инструмента используют несколько специфичные сварочные выпрямители с полого снижающейся внешней характеристикой. Для относительно тонких заготовок (4-6 мм) используются электроды диаметром 4 мм, более тонкие электроды не применяются.

Технология MMA предполагает такую последовательность действий:

1. Заготовки закрепляются на рабочей поверхности с зазором в 1,5-2,5 мм, в случае необходимости проводится предварительная разделка кромок.
2. Между покрытым электродом и основным металлом поджигается электрическая дуга длиной около 2 мм. Более длинные дуги при MMA-сварке алюминия не только замедляют плавление, но и способствую окислению сварочной ванны, а также увеличивают разбрызгивание металла.
3. В процессе плавления электрода его основа примешивается к металлу сварочной ванны (15-35%), а плавящееся покрытие генерирует газовое облако, защищающее расплавленный алюминий от окислительного воздействия воздуха. Роль дополнительной защиты играют выбрасываемые шлаки.
4. Электрод быстро перемещают в продольном направлении, так как скорость его плавления значительно выше, чем у непокрытых аналогов. Поперечные уклоны электрода должны быть сведены к минимуму.
5. По мере удаления электрода металл кристаллизуется, формируя сварочный шов. Если происходит случайный обрыв дуги, в шве образуются непроработанные зоны – «кратеры».

Главными сферами применения MMA-метода стало бытовое и восстановительное сваривание технического алюминия, сплавов алюминия и магния (содержание Mg до 5%), силумина. Обязательным условием после проведения сварки является очистка и контроль качества шва.