Алюминий — сложный металл. Чтобы правильно его сваривать и резать, приходится учитывать множество факторов, а также точно знать, какой присадочный материал использовать, в зависимости от особенностей сплава, условий работы и задачи.
Работа с алюминием сложнее, чем со сталью и другими черными металлами, медью или латунью: более того, некоторые проблемы, которые возникают во время сварки алюминия, невозможно встретить при работе с другими металлами. Дело в химическом составе алюминия — в чистом виде металл не используется. Для того, чтобы сделать его более ковким, прочным, плотным, стойким к вибрациям и другим нагрузкам, в алюминий добавляют другие металлы. Соотношение металлов в сплаве влияет на тенденцию алюминия к горячему растрескиванию, образованию в сварных швах пористости и другим проблемам.
О том, какие проблемы могут возникнуть при сварке алюминия и что делать, чтобы их не было — в материале. Начнем с характеристик металла и с зависимости характеристик от типа сплава.
Особенности и характеристики материала
Сложность в работе с алюминием обусловлена его физическими свойствами. С одной стороны — это легкоплавкий металл. Температура плавления составляет всего 660,5 градусов, то есть более чем в два раза меньше, чем у стали. Это позволило бы легко обрабатывать металл, если бы он был однородным. В нормальных условиях (на воздухе) алюминий быстро покрывается оксидной пленкой: прозрачная пленка хорошо видна, ее можно удалить механически, просто поцарапав поверхность. Температура плавления оксидной пленки превышает 2 000 градусов, у него высокая твердость, после образования пленки заготовка не коррозирует вплоть до удаления слоя.
Большая разница в температуре плавления между самим металлом и пленкой создает сложности при сварке алюминия.
Металл не просто хорошо переносит воздействие сверхнизких температур: чем температура ниже, тем большую прочность он приобретает. Поэтому он отлично заменяет сталь там, где рабочая среда характеризуется температурами ниже -60 градусов. В сходных условиях сталь становится хрупкой вплоть до выкрашивания, тогда как алюминий становится только прочнее. В результате и контейнеры для перевозки или хранения газов, и камеры заморозки изготавливают именно из алюминия.
При высоких температурах прочность алюминия снижается. Однако металл, из-за того, что быстро проводит тепло, очень скоро остывает — это, как увидим дальше, создает определенные проблемы при сварке.
Состав сплава может быть очень разным, в отличие от сталей, в которых значительную долю занимает железо, модифицированное добавлением редкоземельных легирующих металлов. Без добавок алюминий становится легко деформируемым — сплавы этого типа (иногда — с незначительной долей добавок) так и называют — деформируемые. Беспримесный алюминий или металл с малым, менее 1%, содержанием примесей называют еще техническим. Для корректировки свойств технического алюминия используют железо и кремний.
Легирующими элементами для алюминия могут стать: медь, марганец, кремний, сочетание магния и кремния, магний, некоторые другие металлы и неметаллы.
Основные причины проблем со сваркой алюминия
Их всего две — но обе порождают множество сложностей, с которыми приходится сталкиваться при сварке. Это очень высокая теплопроводность и появление пористости при плавлении.
Во время сварки и алюминий, и присадочные материалы активно поглощают водород. Этот газ активно растворяется в алюминии после того, как тот начинает плавиться. И, по мере остывания сварного шва, водород постепенно покидает металл, что повышает пористость. Структура шва становится неоднородной, сам он — неровным. Говорить при этом о том, что свойства шва (прочность, деформируемость, хрупкость) одинаковы по всему его объему, не приходится.
Вторая причина сложности сваривания алюминия — высокая теплопроводность. Этот показатель в пять раз больше, чем у стали. Резкий нагрев до температуры плавления и выше в месте сварки вызывает распространение тепла по всей толще заготовки. Получается, что энергия очень быстро отводится от сварного шва. Из-за этого сварной шов формируется неравномерным: кое-где возможны непровары — то есть места, где два участка металла ничем не соединены. Это негативно сказывается на прочности шва и его устойчивости к деформациям.
Повышенная теплопроводность приводит к тому, что расход энергии при сварке алюминия существенно возрастает: он намного выше, чем при работе со сталью.
Что делать?
Чтобы справиться с поглощением металлом водорода, нужно:
- подготовить свариваемые поверхности — как минимум, полностью очистить и зашлифовать, чтобы снизить таким образом эффект пористости;
- использовать сварку в среде защитного газа — это может быть аргон или гелий, то есть инертные газы.
Для сварки в гелии придется подавать на аппарат большее напряжение, иначе его ионизации может не произойти. Увеличение, в результате, температуры не позволяет использовать гелий для сварки тонкостенных заготовок: чем они толще, тем проще будет регулировать рабочую температуру, поскольку деформация из-за избыточного нагрева будет не слишком высокой.
Водород не вызывает так холодное растрескивание шва при сварке алюминия. В стали, например, это происходит очень часто. Риск, тем не менее, есть: горячему растрескиванию алюминий очень даже подвержен. Причина состоит в том, что при остывании на структуру шва оказывают влияние остаточные напряжения. Помочь в этом случае может только тщательный подбор присадочных материалов: есть справочники, с помощью которых можно найти присадку, которая сведет к минимуму риск горячего растрескивания.
Особенно подвержен горячему растрескиванию при остывании алюминий 6061. При этом сплав очень хорошо себя показывает в высоконагруженных конструкциях, а также в конструкционных деталях, от которых требуется высокая прочность и свариваемость. Автогенная сварка или работа с присадками из аналогичного материала очень часто заканчивается как раз горячим растрескиванием. Для борьбы с этим используют наплавки с содержанием кремния и магния.
Как выбрать присадки для сварки
Ключевая составляющая успешной сварки алюминия — подбор присадок. Сводные таблицы позволяют, в целом, довольно точно выбрать именно тот материал, с помощью которого получится сварной шов с заданными характеристиками. Ключевыми из них принято считать:
- увеличение устойчивости к образованию горячих и холодных трещин;
- стойкость к окислению и коррозии в целом;
- способность сохранять стабильные физико-химические характеристики при повышенных температурах;
- соответствие цвета шва цвету детали после анодирования;
- возможность термообработки сварного шва после остывания;
- вязкость, способность поглощать ударное воздействие с минимальными деформациями или без деформаций;
- пластичность;
- прочность.
Присадочный материал следует выбирать, ориентируясь именно на эти характеристики: в сводных таблицах довольно легко разобраться, соотнеся их со спецификацией на производство шва.
Более простой пусть — приложения, созданные для быстрого подбора присадочных материалов. По сути, это интерактивная таблица, в которой при выборе характеристик шва, демонстрируется список присадок. Ограничением большинства приложений является возможность выбора по конечному количеству критериев: чаще это только характеристики материалов для сварки.
Несколько примеров подбора присадок в зависимости от условий работы:
- при работе с алюминием 6061 (а это наиболее используемый сплав) подойдут присадки из кованого алюминиевого сплава 4043 в виде прутка, а также сплавы с содержанием кремния (4943) и магния (5356);
- если задача — справиться с повышенной пористостью, а также повысить текучесть и увеличить скорость полуавтоматической дуговой сварки или сварки аргонодуговой, применяют прутки 4043 и 4943;
- если сварной шов должен иметь повышенные прочность и ударную вязкость, имеет смысл воспользоваться присадкой 5356.
Что нужно обязательно сделать, если свариваете алюминий
Вот некоторые советы, которые помогут избежать большинства серьезных проблем при работе с алюминием — независимо от того, какие характеристики шва нужны и с каким типом сплава вы имеете дело.
Участок сварки на деталях должен быть максимально чистым: не имеет значения, какого рода загрязнения придется убирать. Повысить пористость может даже скопившийся на поверхности детали конденсат. Сухая поверхность, без пятен масла и без пыли уже снизит риск повышения пористости. Очистка нужна тщательная: используйте ацентон и ацетонсодержащие чистящие средства, специальный очиститель для алюминия. Не рекомендуется очистка продувкой — почти наверняка грязь в этом случае будет заменена пятнами масла и водой.
Оксидная пленка мешает нормальному нагреву — обязательно зачистите от нее участок, где будет проходить шов. Из за высокой температуры плавления пленки сложно зажечь дугу, сложно контролировать температуру так, чтобы при сварке справиться с пленкой, но не пережечь деталь. Оксидный слой еще и хорошо удерживает влагу, что будет вызывать пористость. Удалять пленку нужно механически: с этим может справиться любая стальная щетка. Однако лучше, если щетина будет из нержавеющей стали, а к сварке вы приступите сразу после удаления верхнего оксидного слоя.
Защищайте материл до начала работ. Правильное, в помещении со стабильным микроклиматом, невысокой влажностью, хранение позволит избежать появления слишком толстого, трудноудаляемого оксидного слоя. Если выбора нет, и хранить материал приходится под открытым небом, лучше избегать контакта между деталями. Листовой материал нужно хранить вертикально, в стойках, также избегая плотного и долгого контакта между листами. В противном случае конденсат, который обязательно появится между листами, спровоцирует развитие толстого слоя оксидированного алюминия.
Перед началом работ материалам нужно дать отлежаться — поэтому заносить в цех, где происходит сварка, материалы лучше заранее. Пары часов будет достаточно: после этого поверхности заготовок можно очищать и обезжиривать.
Избегайте попадания воздуха в линии подачи газа — это гарантированно вызовет появление пористости и увеличит риск быстрой деформации шва. Справиться с разгерметизацией помогут качественные комплектующие. Нужно следить за качеством газовых шлангов, направляющих — и, как минимум, не экономить на покупке новых.
Какие направляющие, шланги и соединительные элементы использовать?
- приводные ролики с u-образными канавками — их конструкция рассчитана именно на использование в сварочных работах с алюминием, что гарантирует сохранность прутка при подаче;
- пластиковые направляющие — они не деформируют пруток, исключают появление металлической стружки из-за истирания алюминиевой проволоки, в отличие от стальных или изготовленных из латуни входных направляющих;
- специализированные газовые шланги.
Обязательный этап подготовки к сварке — проверка герметичности всех соединений.
Сокращайте время предварительного нагрева при сварке алюминия. Длительный предварительный нагрев возможен только при работе с толстыми заготовками, а также в случаях, когда свариваются заготовки с разной толщиной. Контролируйте температуру: проверить, какой она должна быть, можно в руководствах по сварке.
Пример: если предполагается проводить дополнительную термообработку или если используются сплавы алюминия с магнием, предварительный нагрев нужно ограничить четвертью часа (максимум) на 120 градусах. Превышение порога повысит хрупкость материала и увеличит риск растрескивания.
Особенности алюминия требуют особого подхода к его сварке — это не сталь с высокой теплоемкостью и температурой плавления. Однако если следовать советам выше, правильно подбирать присадки и метод сварки, проблем с созданием качественных швов не будет.
