Сварка алюминия и его сплавов

01.06.2020

В настоящее время практическое применение нашли следующие виды сварки алюминия и его сплавов: электродуговая, газовая, электрическая контактная, холодная сварка давлением.

Для изготовления строительных конструкций наибольшее применение получили сварка в струе инертных газов вольфрамовым и плавящимся электродами, автоматическая по слою флюса полупогруженной дугой и газовая.

Электродуговая сварка. Она бывает следующих видов: не-плавящимся вольфрамовым электродом в среде инертных газов и плавящимся электродом (автоматическая и полуавтоматическая в струе инертных газов, автоматическая по слою флюса).

При аргонолуговой сварке (рис. 39,б) электрическая дуга горит между электродом и свариваемым металлом. Через сопло специальной горелки, в которой укреплен электрод, подается из баллона аргон, защищающий дугу и ванну шва от проникновения кислорода и азота воздуха. При сварке вольфрамовым электродом шов формируется с помощью присадочного прутка, а в тонких листах — за счет отбортовки. При сварке плавящимся электродом он образуется за счет основного металла и присадочной проволоки.

При электросварке в струе инертных газов почти отсутствует окисление свариваемого металла, шва и присадки, не требуется специальных электродов, обмазок и из-за отсутствия шлака отпадает необходимость очистки шва после сварки. Дуга обладает высокой тепловой интенсивностью в зоне сварки, и в то же время струя газа постоянно охлаждает околошовную зону и отводит тепло, что положительно отражается на свариваемом изделии, так как уменьшаются сварочные деформации. Сваривать в струе инертного газа можно как в нижнем, так и в вертикальном и потолочном положениях.

Материалами для аргонодуговой сварки служат аргон, вольфрам и присадочные материалы. Для сварки алюминиевых сплавов применяется аргон высшего и 1-го сортов, поставляемый по ГОСТ 10157—79, или гелий высокой чистоты. Для электродов применяются вольфрамовые прутки диаметром от 0,8 до 10 мм согласно ГОСТ 23949—80. Присадочный материал в виде прутков из сварочной проволоки в соответствии с ГОСТ 7871—75 выбирается в зависимости от свариваемого металла:

На рис. 39 показана схема поста ручной аргонодуговой сварки. Источником питания поста может быть любой сварочный трансформатор переменного тока. В настоящее время отечественной промышленностью выпускается оборудование для ручной (УДАР-300, УДАР-500), автоматической (АДСВ-2, АРК-2) и полуавтоматической сварки (полуавтоматы типа ПШП). Для полуавтоматической сварки имеются отечественные полуавтоматы ПДПГ-300, ПДША-500, ПШПА-10, ПШПА-11, ПДА-300, ПРМ-4. Полуавтоматом можно сваривать детали толщиной от 2 до 50 мм. Ориентировочные режимы сварки изделий разных толщин ручным и полуавтоматическим способом приведены из сплава АМг6БН в табл. 23, а для упрочненного алюминия 1915Т и 1920Т — в табл. 24.

Для автоматической сварки, помимо автоматов, можно использовать любую самоходную головку, к которой прикрепляется сварочная горелка.

В последнее время нашла распространение импульсно-дуговая сварка, при которой напряжение и ток изменяются по заданному закону. Для импульсно-дуговой сварки существует полуавтомат ПДТИ-303 конструкции ВНИИЭСО с плавящимся электродом в среде аргона. По производительности труда, которая зависит от скорости сварки и КПД дуги, на первом месте стоит полуавтоматическая сварка плавящимся электродом. При этой сварке возможно соединение сварными швами в любом положении при изготовлении изделия самой сложной конфигурации. По качеству наилучшее, плотное соединение обеспечивает сварка вольфрамовым электродом с присадкой. При формировании шва плавящимся электродом в застывшем металле наблюдаются микропоры, которые могут служить концентраторами напряжений в конструкции, работающей на вибрационные нагрузки.

Автоматическая сварка по слою флюса полупогруженной дугой разработана в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН Украины. Этот способ может быть рекомендован как основной для изготовления листовых конструкций. Механизация процесса, возможность вести сварку листов толщиной до 25 мм в один проход и без разделки кромок дают высокую производительность сварочных работ.

Для сварки служит сварочный трактор ТС-17М, оборудованный мундштуком, дозатором флюса, катушкой для сварочной проволоки диаметром 2—2,6 мм, экраном с водяным охлаждением и газоотсосом. Для сварки алюминия и сплава АМц разработаны флюсы АН-А1, АН-А4, АФ5 и др. Флюс AH-A1 имеет следующий состав (%): KCl — 50; NaCl — 20; Na3AlF6 (криолит) — 30. Для его приготовления все материалы высушиваются при T=573—673 К, измельчаются, затем просеиваются через сито с 900 отв/см2, взвешиваются в указанной пропорции и тщательно перемешиваются. На свариваемый металл флюс подается через дозатор.

Автоматическая сварка алюминия производится на увеличенном вылете электрода (180—190 мм) на постоянном токе обратной полярности. Режимы сварки стыковых однопроходных швов полупогруженной дугой и слой флюса см. в табл. 25.

Газовая сварка. Этим способом свариваются чистый алюминий, сплавы АМц, АМг, AB. Недостатками газовой сварки являются: применение флюса, который требует тщательной очистки швов после сварки; наличие пор в сварном шве; недостаточная концентрация тепла в зоне сварки, затрудняющая сварку больших толщин, и значительная ширина околошовной зоны, подвергаемая тепловому действию пламени, в результате которого коробление деталей больше, чем при аргонодуговой сварке, где околошовная зона охлаждается струей аргона.

Несмотря на это газовой сваркой удобно пользоваться там, где отсутствует специальное оборудование для аргонодуговой сварки и в неответственных соединениях.

Технология сварки и контроль сварных швов. Чтобы получить хорошее соединение, необходимо обратить особое внимание на подготовку кромок, очистку свариваемых поверхностей и электродной проволоки, уменьшение сварочных деформаций.

При ручной сварке элементы с толщиной до 6 мм свариваются без разделки кромок. В других случаях обработку кромок следует делать, как указано на рис. 35 и в соответствии с ГОСТ 14806—80.

Одной из ответственных операций подготовки к сварке является очистка свариваемых кромок и электродной проволоки. Кромки должны быть очищены от грязи и жиров ацетоном, бензином или другим органическим растворителем и перед сваркой зачищены стальной щеткой, чтобы снять тугоплавкую окись алюминия. Электродная проволока и прутки очищаются следующим образом:

- травление в 5 %-ном растворе едкого натрия при температуре 333—338 К в течение 2—5 мин;

- промывка в теплой, потом в холодной проточной воде; осветление в 15 %-ном растворе азотной кислоты при температуре 333—338 К в течение 2—5 мин;

- промывка в теплой воде и сушка до полного удаления влаги.

Очищенный материал может употребляться для сварки только в течение 3 дней после очистки. При более длительном хранении прутки снова подвергаются травлению.

После сварки все швы, воспринимающие усилия, помимо наружного осмотра и замера катетов, должны контролироваться физическими методами (рентгено- или гаммаграфирование, ультразвуковая дефектоскопия и т. д.).

Технологические рекомендации и требования при проектировании сварных алюминиевых конструкций. Одним из основных вопросов технологии изготовления сварных алюминиевых конструкций является борьба со сварочными напряжениями и деформациями. Сварочные деформации можно предотвратить конструктивными и технологическими мероприятиями.

К технологическим мероприятиям относятся: сварка конструкций в жестком кондукторе, в котором изделие находится до полного остывания; разработка определенного порядка наложения швов, например применение обратноступенчатых швов, скоростной автоматической сварки, при которой обеспечивается минимальная ширина зоны нагрева, и т. п. Следует заметить, что сварка в жестком кондукторе требует соответствующей остнастки, например траверс, винтовых прижимов и других приспособлений, обеспечивающих неподвижность свариваемых кромок. При этих условиях гарантируется точность изготовления конструкций в пределах точности изготовления кондуктора. Ho применение оснастки требует затрат средств, которые удорожают конструкцию. Более эффективными в борьбе со сварочными деформациями, являются конструктивные мероприятия. Имеется в виду разработка таких форм сварной конструкции, при которых остаточные сварочные деформации должны быть в пределах допусков на изготовление конструкции.

На конструктивную форму сварных алюминиевых конструкций влияют главным образом три фактора, которые необходимо учитывать при проектировании: большой коэффициент теплового расширения; отжиг металла в зоне сварных швов у конструкций, выполняемых из упрочненных термической обработкой и нагартовкой сплавов алюминия; сравнительно низкий модуль упругости алюминия.

Ширина полосы нагрева вокруг дуги из-за большого коэффициента теплопроводности алюминия больше, чем у стали, поэтому нагрев всего изделия более интенсивен. Как местный, так и общий нагрев свариваемой конструкции зависит от ее массы и габаритов. При больших габаритах и массе конструкции тепло дуги расходуется на нагрев большого объема металла и, следовательно, среднее повышение температуры изделия от сварки будет небольшое. С другой стороны, величина временных и остаточных деформаций конструкции зависит от режима сварки, прочности и пластичности сплава, из которого запроектировано изделие.

Представление о характере и величине сварочных деформаций дает рис. 40,б, на котором изображены относительные деформации е в полосе при наплавке на ее кромку валика шва. Температурное поле, вызванное сваркой, показано на рис. 40, а. Полоса-образец из сплава на основе Al—Mg—Cu имела следующие свойства о0,2=300 МПа, ов = 382 МПа, 6=12%. Из рисунка видно, что температура, при которой начинали появляться усадочные пластические деформации, равна 473 К. Температура, при которой прочность сплава была близка к нулю, равна 573 К. Образец, имевший свободу деформирования в процессе нагрева, получил остаточные деформации, вызвавшие внутренние сварочные напряжения. Величина этих напряжений по поперечному сечению полосы представлена на рис. 40, в.

Если конструкция запроектирована неправильно, то в процессе сварки она вся или отдельные ее элементы могут потерять устойчивость. Например, двутавровая сварная балка, составленная из трех листов, теряет общую устойчивость от больших временных деформаций полки, вызванных нагревом дугой, когда заваривается поясной угловой шов. Отжиг металла в зоне сварных швов приводит к снижению прочности сварной конструкции и уменьшению ее жесткости.

В общем случае при проектировании сварных конструкций необходимо выполнять следующие правила. В первую очередь в сварной конструкции следует задавать минимальное количество сварных швов. Все виды соединений конструировать в соответствии с требованиями ГОСТ 14806—80. Как правило, эти соединения должны проектироваться встык. Следует избегать угловых швов. В большегабаритных конструкциях из листа следует применять также детали из прессованных профилей. В этих деталях следует предусматривать необходимые для устойчивости элементов ребра и разделку кромок. Применение таких деталей из прессованных профилей позволит избежать угловых швов и механической обработки, вследствие чего увеличивается производительность труда при изготовлении алюминиевых конструкций.

В решетчатых конструкциях следует избегать присоединения раскосов через фасонки. Ширину полок прессованного профиля пояса всегда можно запроектировать такой, какой она нужна для размещения сварных швов, которые требуются по расчету для соединения раскоса с поясом без фасонок. Трубчатый раскос может быть врезан в полку профиля пояса. В поясах из труб следует предусматривать продольные ребра, к которым можно приварить встык фасонку. Помимо конструктивных функций, ребра увеличивают местную устойчивость стенки трубы.

Основным приемом, повышающим технологичность сварной конструкции, является проработка ее общей схемы и формы сечений таким образом, чтобы ее собственная пространственная жесткость и неизменяемость при сборке и сварке давали возможность обходиться самыми простыми способами закрепления свариваемых деталей с помощью струбцин, зажимов и других элементарных приспособлений. Другими словами, вся конструкция, целиком собранная для сварки, должна служить кондуктором для составляющих ее частей, которые в тот или другой момент подвергаются тепловому воздействию сварочной дуги. При этом возможно изготовление одного-двух несложных и недорогих приспособлений для сварки первичных деталей. Примером конструктивного решения, получившего одобрение технологов, является построенный в 1968 г. пешеходный мост в Ленинграде.

По конструкции мост представляет собой сплошную сварную арку переменного сечения, образованную двумя рядами треугольных призм (рис. 41). Листовые призмы соединены между собой через диафрагмы. По нижним поясам расположены трубы, которые по фасаду образуют многоугольник — нижний пояс моста. Вся система объединена одним листом — пешеходной частью. Технологичность конструкции моста была достигнута в результате следующих конструктивных мероприятий и приемов:

1) длина и размеры всех позиций были заданы с учетом размеров полуфабрикатов (листов и труб), поэтому после механической обработки их почти не было отходов металла;

2) угол раскрытия наклонных стенок у нижнего пояса принят для всех секций (призм) постоянным, поэтому, несмотря на разную высоту секций сборка и сварка стенок с трубами осуществлялась с помощью одного и того же листового кондуктора-шаблона;

3) поперечные диафрагмы поставлены нормально к оси моста между призмами, что позволило хорошо фиксировать положение стенок секций, причем каждая из диафрагм служила жестким диском, препятствующим временным и остаточным деформациям, которые могли возникнуть в примыкающих к нему секциях, если бы этого диска не было;

4) уклон листа пешеходной части на каждой половине моста был задан постоянным, чтобы можно было использовать этот лист как основу для сварки каждой половины в перевернутом положении. Это позволило всю сварку вести в нижнем положении и упростило общую укрупнительную сборку и сварку всего моста, которая была выполнена в заводских условиях (рис. 42);

5) пространственная жесткость конструкции моста была достигнута включением в работу арки листа пешеходной части, которым через диафрагмы объединены два ряда призм, имеющих в своей основе простейшую неизменяемую фигуру — треугольник.

В результате всех этих конструктивных мероприятий и приемов сборка и сварка пролетного строения была осуществлена без специальной оснастки. Все отклонения от размеров и остаточные деформации оказались в пределах допусков, установленных в проекте.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна