Сварка алюминия и его сплавов

Алюминий имеет сравнительно низкую температуру плавления (657°C) при довольно высокой теплопроводности, которая примерно в три раза превосходит теплопроводность малоуглеродистой стали. Алюминий отличается также значительным коэффициентом теплового расширения . Алюминий очень хрупок в нагретом состоянии, однако, главным затруднением при сварке алюминия является легкая его окисляемость с образованием весьма тугоплавкого и механически прочного окисла Аl203, который плавится при температуре 2050°C, что превышает температуру кипения алюминия (°C). Окись алюминия представляет собой чрезвычайно прочное химическое соединение, которое плохо поддается действию флюсующих материалов, ввиду своего химически нейтрального характера. Образование окиси алюминия является основным затруднением при сварке этого металла.
Алюминий можно сваривать как плавлением, газовым пламенем и дугой, так и давлением на электрических контактных сварочных машинах. Наиболее распространена газовая ацетилено-кислородная сварка алюминия. Перед сваркой кромки металла должны быть тщательно очищены механическими средствами: пескоструйными аппаратами, стальными щетками, шабровкой или химическими способами: промывкой в водном растворе каустической соды или в бензине. После промывки раствором соды необходима длительная и тщательная промывка проточной водой для предотвращения появления коррозии. При ремонте алюминиевых отливок часто прибегают к предварительному подогреву изделия до температуры около 300°C.
При ремонте толстостенных алюминиевых отливок можно иногда обходиться без специального флюса. При этом окись алюминия все время очищается с поверхности ванны скребком из стальной проволоки, а конец присадочного прутка для уменьшения окисления погружается в сварочную ванну. В нормальных случаях совершенно необходимо применение специальных флюсов для сварки алюминия, энергично растворяющих окись алюминия при низких температурах.
Флюс при сварке алюминия имеет исключительно важное значение. До изобретения хороших флюсов сварка алюминия считалась настолько трудно выполнимой, что почти не применялась на практике. Особенно сильными растворителями являются для окиси алюминия галоидные соединения щелочного металла лития. Во флюсы для сварки алюминия чаще всего вводится хлористый или фтористый литий — LiCl или LiF.
Разработка флюсов для сварки алюминия до сих пор не может считаться вполне законченной, и ведутся работы по изысканию новых, более совершенных составов флюса. Практически качество алюминиевого флюса может быть оценено следующей простой пробой. Расплавляют газовой горелкой небольшую ванночку на пластине алюминия, металл покрыт пленкой окисла и имеет матовую тусклую сероватую поверхность. При подаче щепотки хорошего флюса на ванну, поверхность ее почти мгновенно очищается и становится блестящей, белого серебристого цвета, напоминая по виду ртуть или расплавленное серебро. Хороший флюс очищает также и нагретый нерасплавленный основной металл вокруг ванны.
Алюминиевые флюсы чувствительны к воздействию влажности воздуха, под влиянием которой они меняют свой состав и свойства. Поэтому алюминиевые флюсы должны сохраняться плотно закупоренными в стеклянных банках с притертой пробкой. Для работы сварщик берет количество флюса не более чем на одну смену.
Удовлетворительные результаты дает и контактная сварка алюминия. Стыковая контактная сварка алюминия обычно производится непрерывным оплавлением на машинах с электрическим приводом. Сварочный ток берется около 15000 A на 1 см2 свариваемого сечения. Величина оплавления составляет от 5 до 12 мм, а величина осадки от 1,5 до 5 мм в зависимости от величины сечения', сварного шва. Время непрерывного оплавления колеблется от 30 до 70 периодов переменного тока. Ток выключается в начале осадки; продолжительность осадки — от 2 до 5 периодов тока.
Довольно широко применяется точечная сварка алюминия, однако существенными затруднениями в этом случае являются высокая электропроводность алюминия и быстрое расплавление металла в процессе сварки, происходящее за 0,002—0,005 сек., что требует быстрого перемещения электрода машины для поддержания величины давления и контакта с основным металлом. Хорошие результаты дает также точечная сварка аккумулированной энергией. В нашей промышленности применяется конденсаторная точечная сварка алюминия. Электроды для точечной сварки алюминия рекомендуется изготовлять из медных сплавов с высокой твердостью и высокой электропроводностью; удовлетворительные результаты дает сплав ЭВ. Довольно часто наблюдается прилипание алюминия к медному электроду. В этом случае необходима немедленная зачистка электрода со снятием тонкого слоя металла, иначе неизбежно повреждение поверхности точек. Необходимо интенсивное охлаждение электродов проточной водой. Возможна также и шовная сварка алюминия, но для этой цели необходимы мощные машины с ионными прерывателями.
В очень широких размерах в технике применяются различные сплавы алюминия, обладающие более высокой механической прочностью по сравнению с прочностью чистого алюминия и сохраняющие его малый удельный вес (2,7—2,8).
Весьма многочисленные алюминиевые сплавы могут быть разделены на две группы: сплавы термически не упрочняемые и сплавы термически упрочняемые. Примером термически не упрочняемого сплава может служить сплав АМц, содержащий в среднем 1,3% марганца, с пределом прочности от 13 до 20 кг/мм2 в зависимости от нагартовки. Поскольку подобные сплавы мало чувствительны к термической обработке, они дают без особых затруднений сварное соединение, по прочности приближающееся к основному металлу в отожженном состоянии.
Из сплавов, упрочняемых термически, важнейшим является дюралюминий, широко применяемый в самолетостроении и имеющий ряд разновидностей с пределом прочности от 38 до 46 кг! мм2. Задача сварки этого важнейшего сплава до сих пор не разрешена полностью. Дюралюминий представляет собой в основном сплав алюминия с медью и магнием, образующих интерметаллические соединения. Растворимость этих соединений в алюминии зависит от температуры. При нагреве алюминия до температуры выше критической, соединения полностью растворяются в металле и остаются в нем в таком виде при быстром охлаждении, т. е. происходит закалка сплава. При последующем вылеживании, так называемом старении, раствор соединений в металле распадается, выделяя частицы соединений в мелко дисперсном виде, что и придает дюралюминию его выдающиеся механические свойства, высокую прочность и твердость. В процессе сварки происходит местный перегрев металла, вызывающий резкое снижение механических свойств металла.
Снижение прочности не может быть устранено последующей термообработкой, которая не возвращает металлу ослабленной зоны первоначальных высоких механических свойств.