Сварка алюминия: характеристики металла, проблемы сварки и важные советы

Сварка алюминия во многих случаях требует соблюдения некоторых специальных процедур. Одним из ключевых факторов является выбор правильного присадочного металла в соответствии с основным материалом и требованиями к области применения.

По сравнению со сваркой стали или других распространенных материалов, сварка алюминия представляет некоторые уникальные проблемы, особенно с точки зрения химического состава и чувствительности к трещинам.

Рассмотрим некоторые общие проблемы при сварке алюминия и основные передовые методы их решения.

Характеристики алюминия

Качество сварки зависит от правильного протекания химических реакций, а также правильной техники.

Характеристики алюминия несколько отличаются от стали. Температура плавления алюминия намного ниже, чем у стали – 660,5°C у алюминия по сравнению с 1371°C у стали. Алюминий также имеет оксидный слой, который плавится примерно при 2037°C. Этот оксидный слой намного тверже алюминия и помогает материалу противостоять коррозии и истиранию. Однако он также действует как изолятор, который может создавать проблемы во время сварки.

Поскольку прочность алюминия имеет тенденцию к увеличению при понижении рабочей температуры - в отличие от стали, которая при понижении рабочих температур становится более хрупкой, - алюминий обычно используется там, где идет работа с низкими температурами, например криогенная техника и транспортировка сжиженного природного газа.

В то время как основным металлом в таком сплаве, как сталь, является железо, алюминиевые сплавы - это в основном алюминий с добавлением различных элементов.

Деформируемые сплавы, такие как алюминий серии 1ххх, представляют собой чистый алюминий без намеренно добавленных легирующих элементов. В других типах алюминия основными легирующими элементами являются медь в серии 2ххх, марганец в серии 3ххх, кремний в серии 4ххх, магний в серии 5ххх, магний и кремний в серии 6ххх, цинк в серии 7ххх и другие элементы в серии 8ххх.

Проблемы сварки алюминия

В процессе сварки проявляются различные специфические характеристики алюминия. Теплопроводность и проблемы с пористостью - два самых больших отличия сварки алюминия от сварки стали.

Водород хорошо растворяется в жидком алюминии. Поскольку присадочный материал и основной металл алюминия становятся жидкими в процессе сварки, они поглощают водород и могут удерживать его в растворе. Когда расплавленный материал начинает затвердевать, он больше не может удерживать водород в гомогенной смеси. Водород вытесняется и образует пузырьки, которые застревают в металле, что приводит к пористости.

Для борьбы с проблемами пористости можно использовать защитную смесь газов на основе гелия или аргона, если были опробованы все другие варианты. Имейте в виду, что работая с гелиевой смесью необходимо увеличивать напряжение, чтобы преодолеть более высокий потенциал ионизации этого газа по сравнению с аргоном. Повышенное напряжение вызовет более глубокое проникновение тепла и лучшее проваривание, поэтому эта смесь используется для более толстых алюминиевых заготовок.

Перед сваркой тщательно очистите основной материал от масла, грязи, остатков и влаги. Это помогает обеспечить наилучшие результаты и снижает вероятность возникновения пор.

В отличие от стали, присутствие водорода не вызывает растрескивания алюминиевых сварных швов. Однако при затвердевании сварного шва может возникнуть горячее растрескивание, которое, представляет угрозу для алюминия. Решение этой проблемы возвращает нас к химии. Если возникает проблема с горячим растрескиванием, обратитесь к таблице выбора присадочного металла, чтобы найти присадочный металл, который наилучшим образом решает эту проблему.

Алюминий 6061 в качестве основного металла является примером материала, который находится на пике склонности к растрескиванию при его обычном химическом составе, что очень затрудняет автогенную сварку или сварку с присадочным материалом аналогичного химического состава. Использование наплавочного металла с такими элементами, как магний (ER5XXX) или кремний (ER4XXX), может помочь вытолкнуть материал за пределы диапазона восприимчивости к трещинам.

Еще одна проблема, связанная с алюминием, заключается в том, что он в пять раз более теплопроводен, чем сталь. Холодные участки основного металла стремятся отвести тепло от сварочной ванны, что может вызвать непровар в сварном шве. Из-за этой разницы в теплопроводности, алюминий требует гораздо более высоких вложений тепла во время сварки, чем сталь.

Выбор присадочного металла

При выборе присадочного металла для алюминия очень важно использовать таблицу выбора. Для каждой комбинации обозначений алюминия есть рекомендуемые варианты присадочного металла в зависимости от требуемых характеристик сварного шва.

Таблица выбора включает восемь характеристик, которые важны для различных сварочных работ: чувствительность к трещинам, прочность, пластичность, коррозионная стойкость, работа при повышенных температурах, соответствие цвета после анодирования, термообработка после сварки и ударная вязкость. Анализируя потребности конечного компонента, можно определить, какие свойства наиболее важны в данном конкретном случае и выберите присадочный металл, который наилучшим образом соответствует требуемым характеристикам. Важно отметить, что повышенная рабочая температура алюминия составляет от 60°C до 210°C. Это и другие характеристики можно определить с помощью таблицы выбора.

Другой вариант - использовать компьютерное приложение для выбора присадочного металла. В таком приложении можно найти ту же информацию, что и в полной таблице выбора, но оно показывает присадочный металл только для выбранных основных материалов.

Правильный выбор присадочного металла всегда является ключевым моментом. Например, если основным свариваемым материалом является алюминий 6061, хорошие варианты присадочного металла включают 4043, 4943 и 5356. Проволока 4043/4943 для полуавтоматической дуговой сварки MIG или пруток для аргонодуговой сварки TIG помогут уменьшить пористость и обеспечить лучшую свариваемость и увеличить текучесть, в то время как присадка 5356 обеспечивает большую ударную вязкость и прочность.

Важные советы

Наряду с выбором присадочного металла, наиболее подходящего для данной области применения, достигнуть успеха при сварке алюминия также может помочь следование некоторым ключевым передовым методам.

Очищайте металл. Перед сваркой тщательно очистите основной материал от масла, грязи и влаги. Это помогает обеспечить наилучшие результаты и снижает вероятность появления пор. Для удаления углеводородов, которые могут находиться на поверхности материала, хорошо подходят ацетон или очиститель для алюминия. При подготовке сварных швов не продувайте их сжатым воздухом, так как это может привести к загрязнению влагой или маслами.

Удаляйте оксидный слой. После очистки поверхности для удаления слоя оксида алюминия непосредственно перед сваркой используйте щетку из нержавеющей стали - новую или использованную только для алюминия. Как упоминалось ранее, оксид алюминия имеет гораздо более высокую температуру плавления, чем алюминий. Он действует как изолятор, который может вызвать проблемы с зажиганием дуги, и для сварки через оксидный слой требуется очень высокий нагрев. Это может привести к прожиганию основного материала и пористости, поскольку оксидный слой имеет тенденцию удерживать влагу.

Правильное хранение. Правила хранения основных материалов и присадочных металлов также играют роль в предотвращении пористости. По возможности храните алюминиевые листы в помещении. Если они должны храниться на открытом воздухе, ставьте листы вертикально, а не друг на друга, чтобы предотвратить задержку воды, которая будет способствовать образованию более толстого слоя гидратированного оксида алюминия. Хранящиеся снаружи или в кондиционируемой части здания материалы и присадочные металлы желательно приносить в цех заранее перед сваркой, чтобы температура металла стабилизировалась и помогала предотвратить конденсацию влаги из воздуха на поверхности алюминия.

Проверка расходных материалов. Некоторые проблемы со сваркой алюминия, особенно при использовании MIG сварки, могут быть связаны с расходными материалами. Чтобы снизить риск образования пористости, используйте тефлоновые направляющие каналы в сварочной горелке и газовые шланги (или хотя бы в хорошем состоянии) и убедитесь, что все соединения шлангов плотно затянуты, чтобы воздух не попадал в линию.

Также важно использовать подходящие направляющие и приводные ролики. При сварке алюминия пластиковые входные направляющие могут обеспечить преимущества по сравнению со стальными, поскольку металлические или латунные входные направляющие и стальные вкладыши могут истирать более мягкую алюминиевую проволоку, когда она проходит через систему привода и втулку. Это может привести к тому, что металлическая стружка забьет втулку и вызовет проблемы с подачей. Аналогично, приводные ролики с U-образной канавкой являются стандартными для работы алюминием, потому что другие типы приводных роликов могут разбить или деформировать проволоку.

Следите за температурой. Обратитесь к руководству по алюминиевому присадочному металлу или нормативным документам, чтобы определить подходящий диапазон температур предварительного нагрева и промежуточного прохода. Предварительный нагрев может использоваться для уменьшения теплового воздействия на размер секции при сварке толстых заготовок или материалов разной толщины, но при сварке алюминия предварительный нагрев должен быть минимальным.

Металл, подлежащий термообработке, а также металл серии 5xxx, содержащий более 3% магния, не должен подвергаться предварительному нагреву или температурам между проходами выше 120°C в течение более 15 минут. Время, проведенное при повышенных температурах, может снизить прочность материала и способствовать растрескиванию.

Достижение успеха

Решение проблем сварки алюминия часто сводится к чистой химии. Правильное соответствие основного и присадочного металла имеет большое значение для достижения успеха и минимизации проблем. Также важно следовать рекомендуемым передовым методам сварки алюминия. И помните, что техника и передовые методы сварки алюминия сильно отличаются от методов сварки стали.