Сварка алюминия: технология и особенности

Сварка — это технологический процесс, при котором несколько деталей соединяются в одну конструкцию путем плавления материалов в зоне соединения. Сварочные работы необходимы для создания неразъемных соединений из металлических заготовок. Они широко применяются в строительстве, быту и сфере ЖКХ, а также многих отраслях промышленности: машиностроение, кораблестроение, производство металлоконструкций, мебели, бытовой техники, трубопроводов и пр. Алюминий — один из металлов, который часто подвергают сварке, поскольку его свойства ценятся во всех перечисленных сферах. Однако есть свои особенности и методики работы с алюминиевыми сплавами, о которых мы подробно расскажем в этой статье.

Особенности сварки алюминия и его сплавов

То, насколько хорошо металл поддаётся сварке, зависит от его уровня технологической свариваемости. Это показатель, определяющий реакцию материала на воздействие сварочным оборудованием и способность образовывать неразъемное сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами. Свариваемость зависит от многих факторов: химического состава металла, его структуры, температуры плавления, механических свойств и пр. Кроме того, показатель может зависеть от условий сварки — типа сварочного оборудования, параметров обработки (тока, напряжения, скорости). Всего есть четыре группы свариваемости: от плохо свариваемых до хорошо свариваемых.

Алюминий нельзя однозначно отнести к одной из этих групп, поскольку в чистом виде он практически не используется. Алюминиевый металлопрокат изготавливают из различных сплавов, где те или иные свойства металла усиливают или ослабляют легирующими добавками. Эти добавки влияют также на характеристику свариваемости.

Сложнее всего поддаются сварке термоупрочняемые сплавы (АВ, АК, B95)  и дюралюминий (Д1, Д16). Они относятся к трудносвариваемым. Силумин (сплав алюминия с кремнием, марки Ал2, Ал4, Ал9) относится к ограниченно свариваемым. В эту же группу входят сплавы с содержанием магния — АМг1, АМг5, АМг6. Однако АМг3, а также сплавы с содержанием марганца (АМц) свариваются без ограничений.

На свариваемость алюминия влияет также другая его особенность — оксидная пленка. Она образуется вследствие процесса окисления — взаимодействия металла с кислородом из воздуха. В результате этой реакции на поверхности алюминиевых заготовок образуется тонкий слой оксида Al2O3, который защищает материал от коррозии и взаимодействия с окружающей средой.

Проблема здесь заключается в том, что у оксидной пленки и самого алюминия разные температуры плавления. Если оксидный слой плавится при температуре около 2000-2040 ℃, то для алюминиевых сплавов этот показатель составляет 660 ℃. Если проводить сварочные работы при слишком низкий силе тока, пленку проплавить не получится. Если выбрать слишком высокую температуру, металл можно прожечь.

Также нужно учитывать высокую теплопроводность алюминия. При сварочном процессе сильному нагреву подвергается зона рядом со швом, что часто становится причиной деформации. Поэтому шов получается косым. Также в процессе могут образоваться поры, которые нарушают герметичность шва.

Повышенная текучесть металла — ещё одна причина, по которой его сварка затрудняется. Из-за текучести сложно контролировать сварочную ванну, поэтому нередко появляются такие дефекты, как наплывы шва, неровности.

Среди других аспектов, осложняющих сварочные работы — быстрое окисление и значительная усадка металла, которые нарушают однородность шва, приводят к его деформации.

Качество результата во многом зависит от подготовки металлопроката перед к сварке, а также от опыта самого сварщика.

Технология сварки алюминия: подготовка материалов и деталей

Подготовка алюминия к сварке — это важный этапов в процессе изготовления сварных конструкций. От качества подготовки зависит надежность и долговечность сварного шва, а также его устойчивость к различным нагрузкам, воздействиям окружающей среды.

Подготовка включает в себя несколько этапов. Во-первых, необходимо тщательно очистить поверхность металла от загрязнений: масел, грязи, краски, ржавчины. Это необходимо, чтобы избежать дефектов сварного шва.

Во-вторых, перед сваркой рекомендуется выполнить разделку кромок деталей, то есть, придать им нужную форму и угол скоса, чтобы обеспечить плавный переход между соединяемыми элементами.

Также особенности подготовки зависят от выбранной технологии. Например, при газоэлектрической сварке значительную роль играет помещение, в котором будут проводиться работы. Недопустимы наличие пыли, высокая влажность. Скорость движения воздуха не должна превышать 2 метра в секунду. Важно исключить сквозняки или потоки воздуха из вентиляции.

Способ очистки заготовок также зависит от технологии. При газоэлектрической сварке в роли инертного газа рекомендуется использовать только аргон или гелий высокой чистоты. Это регламентировано ГОСТ 10157-79 и ТУ 51-689-75.

Все элементы рабочего оборудования, включая шланги, горелки и арматуру, перед началом работы необходимо тщательно промыть спиртом, а затем периодически повторять это действие уже в ходе сварки.

Отдельно стоит рассмотреть методы очистки присадочной проволоки. В соответствии с прописанной технологией, её сначала необходимо очистить от консервационной смазки, путём промывания горячей водой или растворителем.

Следующий шаг — это удаление оксидной пленки. Рассмотрим самую популярную технологию:

• Шаг 1. Протравка заготовок в 60% растворе каустической соды при температуре 60-65 ℃;
• Шаг 2. Промывание заготовок: сначала их моют горячей водой (50-60℃), затем холодной проточной;
• Шаг 3. Осветление: оно осуществляется в 30% растворе азотной кислоты в течение 120 секунд, температура раствора — 55-60 ℃;
• Шаг 4. Повторная промывка в горячей и холодной воде;
• Шаг 5. Сушка: алюминий оставляют до полного высыхания.

Продолжительность хранения обработанных полуфабрикатов зависит от их толщины. Например, проволока толщиной до 1,6 мм хранится в течение 12 часов, 4-5 мм — до 36 часов. Если сварку нельзя провести в течение этого времени, заготовки необходимо поместить в специальные ящики.

Соединяемые детали также подготавливают путём обработки кромки. Для очистки кромок обычно используется химический метод. Заготовки погружаются в специальный раствор, который удаляет загрязнения и окислы. После очистки их необходимо промыть водой и высушить.

Нередко применяется флюсование. Флюс — это вещество, которое служит для защиты шва от окисления. Его наносят на кромки деталей перед сваркой, чтобы предотвратить образование оксидных пленок.

Способы сварки алюминия, их плюсы и минусы

Рассмотрим технологии сварки алюминия, их особенности, преимущества и недостатки.

Технология аргоновой сварки

Аргонодуговая сварка (TIG) — это вид сварочных работ, при которых для защиты зоны сварки от воздействия атмосферного воздуха используется инертный газ (аргон). Он успешно выполняет функцию плазмообразующего вещества, является негорючим, взрывобезопасным, хорошо защищает шов от окисления кислородом. С помощью аргонодугового метода стало возможным соединение чистых металлов со сплавами, а также изготовление тонкостенных деталей.

Среди плюсов технологии:

• минимальный риск образования дефектов в сварных швах за счёт действия защитного газа;
• снижение деформации металла за счёт небольшой области нагревания;
• получение аккуратных швов, которые чаще всего не требуют доработки;
• отсутствие капельного переноса металла, а значит, и его разбрызгивания.

Минусы следующие:

• стоимость оборудования для аргоновой сварки;
• сравнительно низкая производительность метода;
• необходимость в высокой квалификации сварщиков, навыков работы с оборудованием.

Аргонодуговая сварка широко используется для изготовления различных конструкций и узлов оборудования из алюминиевых сплавов. Это востребовано в автомобиле-, ракето-, авиастроении.

Сварка алюминия электродом

Сварка электродом (MMA) — это процесс соединения алюминиевых деталей путем плавления электрода и основного металла с образованием сварного шва. Варить необходимо только с применением специальных расходников, а аппарат настраивают на постоянный ток с обратной полярностью.

Есть разные марки электродов для алюминия, выбор зависит от типа свариваемых деталей. Например, электроды ESAB с маркировкой «ОК» применяют для работы со сплавами с магнием или марганцем в составе, а расходники «ОЗАНА» — для марок А0. В качестве оборудования используются ММА инверторы с максимальной мощностью в 250-300 Ампер.

Плюсы метода:

• сравнительно низкая стоимость работ;
• легкость процесса, не требующая высокой квалификации исполнителя;
• сваривать алюминий можно в любом положении, в том числе вертикально;
• скорость работы в сравнении с другими технологиями.

Минусы:

• металл требует более тщательной подготовки: его необходимо просушить, в том числе с использованием печей, а также предварительно прогреть;
• метод подходит только для деталей толщиной не более 4 мм, которые не несут ответственных нагрузок;
• отличного качества соединения этим способом добиться невозможно.

Чаще всего сварка электродами осуществляется в домашних условиях, для ремонта алюминиевых деталей или создания небольших конструкций.

Сварка алюминия полуавтоматом

Полуавтоматическая (MIG-MAG) сварка — это процесс сваривания элементов путём подачи сварочной алюминиевой проволоки и защитного газа аргона через горелку. Большая теплопроводность металла требует высокой мощности дуги и большой скорости подачи проволоки. Для этой технологии необходимо тщательно выбрать оборудование: оптимальный полуавтомат должен иметь режим импульсной сварки. Импульсы помогают пробить оксидную пленку, а также снижают риск перегрева и прожогов. В качестве защитного газа используется чистый аргон.

Также важно верно определить нужный диаметр сварочной проволоки. При её подаче не должно возникать сложностей протяжки через горелку. Поэтому рекомендуется ограничиться горелкой небольшой длины либо выбрать модели, оборудованные дополнительным механизмом подачи.

Среди плюсов метода:

• скорость работы в три раза выше, чем при аргонодуговой сварке;
• технология значительно проще аргонодуговой, её легко освоить даже начинающему сварщику;
• высокое качество сварного шва;
• минимизация риска разбрызгивания металла.

Среди минусов:

• необходимо использовать сварочную проволоку высокого качества: это сильно влияет на результат;
• высокие требования к оборудованию и его настройкам;
• важно использовать чистый аргон, цена которого высока.

Полуавтоматический метод подходит для соединения заготовок толщиной более 3 мм. Он активно применяется в строительстве, а также различных областях промышленности: судостроении, автомобилестроении, производстве металлоконструкций.

Методы сварки алюминия в домашних условиях

С алюминием работать сложнее, чем с черными металлами. Однако это не значит, что самостоятельно сварку выполнить невозможно. Вопрос заключается в сложности, оснащенности и целях работ. Итак, в быту чаще всего используются следующие виды сварочных работ:

• Ручная дуговая сварка покрытым электродом (MMA). Способ предполагает использование штучных покрытых электродов и источника постоянного тока. Сварка выполняется вручную, для соединения тонких алюминиевых заготовок или укрепления готовых конструкций. Для работы необходим инвертор ММА, электроды.

• Аргонодуговая сварка (TIG). Здесь используется неплавящийся вольфрамовый электрод и защитный газ аргон. Работа ведется с помощью горелки, подключенной к инвертору TIG. Рекомендуется использовать инвертор, способный переключаться на переменный ток. Необходимо использовать чистый аргон либо смесь с гелием, а присадочный пруток должен быть изготовлен из того же сплава, что и свариваемое изделие.

• Полуавтоматическая сварка с использованием порошковой проволоки (MIG). В качестве присадочного материала используется специальная алюминиевая порошковая проволока, которая подается автоматически. Защиту сварного шва обеспечивает защитный газ. Полуавтоматическая сварка позволяет выполнять более длинные швы и подходит для работы с толстыми заготовками. В процессе работы необходимо управлять горелкой, из которой одновременно подается проволока и газ. Для сварочных работ потребуется полуавтомат MIG с горелкой и кабелем массы, проволока, баллон с аргоном или гелиевой смесью, редуктор, шланг для соединения баллона с аппаратом.

Трудности при сварке алюминия

Подытожим сложности, которые могут возникнуть при работе с алюминиевыми сплавами. Среди них:

• Разница в температурах плавления. Алюминий плавится при температуре около 660°C, что почти в четыре раза ниже,чем температура плавления оксидной пленки.
• Химическая активность. Легкий металл быстро вступает в реакцию с кислородом, что может привести к образованию пор и трещин в сварном шве.
• Трудности при формировании шва. Низкая теплопроводность делает материал трудносвариваемым, повышает его текучесть и влечет за собой деформацию конструкции при нагреве. Это усложняет процесс формирования шва.
• Необходимость в качественном оборудовании: Для сварочных работ требуется дорогое оборудование и расходники: чем дешевле технология, тем ниже качество результата.

Также многое зависит от качества самого металла. Алюминий, изготовленный в соответствии с ГОСТ — это материал, состав которого точно известен, а значит, сюрпризов при работе с ним не возникнет. Приобрести алюминиевые заготовки: листы, плиты, трубы, прутки и пр. можно в компании ООО «СЦ МетОптТрейдинг». Мы поставляем металлопрокат напрямую с заводов-изготовителей, поэтому гарантируем соответствие ГОСТ, низкие цены, большой выбор сортамента.

Источник фото: freepik.com