Сварка алюминия и его сплавов

Сварка алюминия и его сплавов

Категория:

Сварка различных металлов

Сварка алюминия и его сплавов

Алюминий обладает низкой прочностью; поэтому его не применяют для конструкций, работающих под динамической нагрузкой. Его употребляют в химическом аппарато-строении, рамных конструкциях, для оконных и дверных переплетов и декоративных изделий в строительстве. Он обладает малой массой (плотность 2,7 г/см3), повышенной коррозионной стойкостью и большой пластичностью по сравнению с низкоуглеродистой сталью.

Повышенную прочность имеют сплавы алюминия с марганцем, магнием, кремнием, цинком и медью.

Алюминий и его сплавы делят на литейные и деформируемые (катаные, прессованные, кованые). Деформируемые сплавы подразделяют на термически не упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, и термически упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком, кремнием.

Наиболее высокой прочностью обладают термически упрочняем мые алюминиевые сплавы. Например, механические свойства дюр алюминия Д16 (3,8—4,9% меди, 1,2—1,8% магния, 0,3—0,9% мар ганца, остальное — алюминий) следующие: до термической обра-ботки — 6В = 22 кгс/мм2 и 6б = 2%; после термической обработки ств=42 кгс/мм2 и 65=18%. Наибольшей прочностью из термиче ски упрочняемых алюминиевых сплавов обладает сплав В95 (ав = 60 кгс/мм2, огт = 55 кгс/мм2 и 65 — около 12%), сплав по, строен на основе алюминий — медь — магний — цинк.

Однако термически упрочненные алюминиевые сплавы разуп рочняются при сварке со значительной потерей механических свойств. Применение этих сплавов для сварных конструкций воз» можно лишь при условии обеспечения термической обработки после сварки для повышения прочности сварных соединений.

Из термически неупрочняемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы системы А1 — Mg — Ti, например сплав АМгб, механические свойства которого следующие: сгв = 32—38 кгс/мм2, стт = 1 б— 18 кгс/мм2, бБ= 15—20% и ак=3—4 кгс-м/см2.

Конструкции из алюминиево-магниевого сплава АМгб изготовляются в основном сварными.

Свариваемость алюминия и его сплавов. Алюминий и его сплавы имеют большую теплопроводность, теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Теплопроводность алюминия в три раза выше теплопроводности низкоуглеродистой стали; при нагреве от 20 до 600° С разница в теплопроводности еще более возрастает. Следовательно, сварка алюминия и его сплавов должна выполняться с относительно мощным и концентрированным источником нагрева.

Коэффициент линейного расширения алюминия в два раза выше, чем коэффициент расширения железа. Это способствует увеличенным деформациям и короблению при сварке алюминиевых изделий.

Низкая удельная плотность (2,7 г/см3) и температура плавления (660° С) алюминия по сравнению с высокой удельной плотностью окисла алюминия А120э (3,85 г/см3) и его температурой плавления (2060° С) затрудняют процесс сварки. Тугоплавкий и тяжелый окисел AI2O3 может оставаться в металле шва и снижать работоспособность сварного соединения. При сварке алюминия и его сплавов необходимо применять различные способы борьбы с окислом А1203. Во всех случаях поверхность металла изделия должна зачищаться непосредственно перед сваркой и процесс сварки должен протекать с защитой расплавленного металла от действия газов воздуха.

Используют три способа борьбы с окислом алюминия: сварка с растворителем окислов (электродные покрытия, флюсы), сварка без растворителей, но с так называемым катодным распылением, и сварка с механическим удалением окислов из сварочной ванны.

Растворителями окисла А1203 и других окислов являются галоидные соли щелочноземельных металлов (хлористый, фтористый литий и др.), которые растворяют окислы и вместе с ними подни-1аЮтся из сварочной ванны в сварочный шлак. Так как раствор обладает пониженной температурой плавления, меньшей удельной плотностью и меньшей вязкостью, чем каждый компонент в отдельности, то он выводится из металла шва в сварочный шлак.

Сущность катодного распыления состоит в том, что при дуговой сварке в аргоне на постоянном токе при обратной полярности происходит дробление окисной пленки А1203 с последующим распылением частиц окисла на поверхности сварного изделия. Тонкая окисная пленка, покрывающая сварочную ванну, разрушается под ударами тяжелых положительных ионов защитного газа аргона, образующихся при горении дуги. Так как положительный ион обладает большей массой, чем электрон, то образующийся поток ионов способен дробить окнсные пленки алюминия и магния, которые создаются при сварке. При этом надо учитывать большую скорость движения ионов, позволяющую распыленным окислам через защитную газовую среду выходить из сварочной зоны.

Другие газы, обладающие низкой атомной массой (например, 4 у гелия вместо 40 у аргона), не способны дробить и распылять окислы.

Механический способ удаления окисла А1203 из сварочной ванны заключается в том, что сварщик опускает в сварочную ванну стальной пруток диаметром 3—4 мм и вынимает его с прилипшим к поверхности прутка окислом, который легко отделяется от прутка при его встряхивании и легком ударе. Опытные рабочие, выполняющие газовую или дуговую сварку угольным электродом, часто используют этот способ, не прибегая к флюсам.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной склонностью к образованию пор. Пористость металла при сварке алюминия и его сплавов вызывается водородом, источником которого служит адсорбированная влага на поверхности основного металла и особенно проволоки, а также воздух, подсасываемый в сварочную ванну. В этом случае алюминий в сварочной ванне взаимодействует с влагой по реакции 2А1+ЗН20->-А120з+6Н.

Для получения беспористых швов при сварке алюминия и его сплавов даже небольшой толщины иногда требуется подогрев, снижающий скорость охлаждения сварочной ванны и способствующий более полному удалению водорода из металла при медленном охлаждении. Так, например, при наплавке на лист алюминия толщиной 8 мм беспористый шов может получить при подогреве металла до 150 °С.

При увеличении толщины металла до 16 мм даже подогрев до температуры 300 °С не обеспечивает беспористых швов.

Однако подогрев листов для сварки некоторых сплавов следует применять осторожно. Например, при сварке толстолистовых алю-миниево-магниевых сплавов допускается подогрев до температуры не выше 100—150 °С. Более высокая температура подогрева может усилить пористость шва за счет выделения из твердого раствора магния и образования при этом водорода по реакции Mg + h30-vMg0 + 2H. Кроме того, при сварке подогретого металла

Флюс АФ-4а разводят дистиллированной водой и наносят на свариваемые кромки и присадочный пруток.

При газовой сварке применяют присадочную проволоку той же марки, что и свариваемый металл.

Для получения и сохранения мелкозернистой структуры изделие после сварки в некоторых случаях, например при сварке литых деталей, подвергают отжигу при 300—350 °С с последующим медленным охлаждением.

—-

Алюминий обладает малой плотностью, хорошей тепло- и электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. В технике алюминий применяют в виде алюминия разной степени чистоты и в виде сплавов.

В зависимости от содержания примесей (Fe, Si, Си, Zn, Ti) алюминий бывает особой чистоты А999 (0,001 % примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005—0,5% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15—1,0% примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), используют в сварных конструкциях, маркируется АД0 и АД1.

Из-за низкой прочности (сгв=804-110 МПа) алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность, коррозионная стойкость (рамы, двери, трубопроводы, емкости, фольга и др.). Для нагруженных изделий используют сплавы алюминия. В качестве основных легирующих элементов алюминиевых сплавов применяют Си, Mg, Si, Mn, Zn, реже — Li, Ni, Ti, Be, Zr. алюминием (р=3,85 г/см3). Окисная пленка затрудняет сплавление, способствует непроварам и охрупчивает металл. Поэтому окисную пленку удаляют со свариваемых кромок механическими и химическими способами перед сваркой, во время сварки защищают зону сварки инертным газом, катодным распылением, применяют покрытия и флюсы на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов (NaCl, NaF, КС1 и др.).

2. Склонность к образованию горячих трещин в связи с большой литейной усадкой кристаллизующегося металла, грубой столбчатой структурой сварного шва и наличием примесей. Для борьбы с горячими трещинами ограничивают содержание примесей в свариваемом металле, для измельчения структуры добавляют в металл и сварочную .проволоку модификаторы (Zr, Ti, В), регулируют режимы сварки.

3. Термически упрочняемые сплавы весьма чувствительны к термическому циклу сварки в связи с ростом зерна, распадом перенасыщенных твердых растворов, процессами старения, рекристаллизацией.

4. Для ряда сплавов, особенно содержащих в качестве основного легирующего элемента магний, характерна повышенная пористость при сварке, связанная с насыщением расплавленного металла водородом. Для уменьшения пористости рекомендуется тщательная подготовка свариваемых кромок и проволоки перед сваркой для удаления следов влаги с их поверхности; тщательная защита сварочной ванны, увеличение диаметра присадочной проволоки, чтобы уменьшить удельную поверхность присадки; предварительный подогрев, чтобы увеличить время существования сварочной ванны и чтобы пузырьки водорода успели выйти из ванны.

5. Высокие теплопроводность и теплоемкость алюминия требуют применения мощных источников тепла, а в ряде случаев подогрева. Высокий коэффициент линейного расширения и малый модуль упругости способствуют появлению значительных сварочных деформаций, что требует применения надежных зажимных приспособлений и устранения деформаций после сварки в ответственных конструкциях. В алюминии отсутствует пластическое состояние при нагреве и переходе из твердого в жидкое состояние, при этом алюминий не меняет своего цвета, а в области температур более 400—450 °С имеется провал прочности и пластичности, поэтому рекомендуется сварка на подкладках.

Высокий коэффициент вязкости и быстрый теплоотвод затрудняют формирование шва, поэтому требуется соблюдение необходимых разделок кромок. Все перечисленные трудности и особенности свар-; ки алюминия требуют тщательной подготовки под сварку и тщательное соблюдение технологии сварки.

Способы сварки алюминия и его сплавов. Основными способами сварки алюминия и его термонеупрочняемых сплавов являются сварка в инертных газах, по флюсу и под флюсом, ручная покрытыми электродами, контактная. Используют также газовую сварку, электрошлаковую сварку угольным электродом. Для термически упрочняемых сплавов применяют преимущественно механизированные способы сварки в инертных газах, электронно-лучевую, плаз-менно-дуговую.

Для тонколистового металла целесообразна сварка в импульсном режиме. Для толстолистового металла (6>10 мм) хорошие результаты дает трехфазная сварка неплавящимся электродом. Сварку плавящимся электродом в инертных газах выполняют при толщинах более 4 мм на постоянном токе обратной полярности /св = (120-г-160)da, где da — диаметр сварочной проволоки. Недостатком сварки плавящимся электродом является повышенная пористость.

Газовую сварку выполняют нормальным пламенем с использованием защитного флюса в виде порошка или пасты, наносимого на свариваемые кромки и присадочной проволоки типа АФ-4А (КО— 50%, LiCl — 14%, NaCl—28%. NaF—8%), с подогревом металла при сварке больших толщин. Ориентировочную мощность сварочного пламени выбирают из расчета расхода ацетилена 75 дм3/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.

При использовании флюсовой защиты применяют следующие способы электрической сварки плавлением: дуговую автоматическую по флюсу и под флюсом и электрошлаковую. При сварке по слою флюса используют флюсы на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов (например, АН-А1 системы Na3AlF3—КС1—NaCl), которые обладают высокой электропроводностью, поэтому погруженная дуга закорачивается и горит по слою флюса. Дополнительным параметром режима при сварке по слою флюса является высота насыпного слоя флюса перед дугой. Добавление во флюсы для сварки алюминия компонентов, уменьшающих электропроводность флюса, позволило разработать способ сварки под слоем флюса. В качестве такого компонента во флюс ЖА-64 введен кремнезем SiOa (система Na3AlF3—КС1—NaCl—Si02).

Контактную точечную и шовную сварку применяют для соединения листов и профильного проката преимущественно из деформируемых сплавов. Контактную стыковую сварку выполняют преимущественно методом оплавления. Тацгкак алюминий и его сплавы отличаются высокой тепло- и электропроводностью, то необходимо при электроконтактной сварке, особенно точечной, применение больших токов и мощных машин, для повышения эффективности нагрева целесообразно сваривать при малой длительности импульсов тока.

Пластичные сплавы алюминия хорошо свариваются другими видами сварки термомеханического и механического классов.

Реклама:

Читать далее:

Сварка титановых сплавов

Статьи по теме:

Лазерная сварка алюминия

Темы : Лазерная сварка, Сварка алюминия, Режимы сварки.

Алюминиевыесплавы обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью и высокой коррозионной стойкостью. Они применяются в качестве конструкционных материалов в различных отраслях промышленности.

Сварка алюминиевых сплавов имеет свою специфику. Алюминий интенсивно окисляется пpи температуре плавления и вышe. Оксидная пленка обладает высокoй температурой плавления (>2273 К) и не расплавляется в процессе сварки. Эта пленка характеризуетcя высокой адсорбционной способностью к гaзам и парам воды, чтo приводит к появлeнию в сварочной ванне газов и рaзличных несплошностей.

Частицы оксидной пленки могут попадать в ванну, образуя оксидные включения в швах, снижающие свойства сварных соединений. По этому нужно разрабатывать специальные мероприятия для разрушения и удаления пленки и для защиты металла от повторного окисления.

Другие страницы по теме

Лазерная сварка алюминия и алюминиевых сплавов

:

 

При сварке алюминиевых сплавов воз можно образование пор, источником которых является водород, хорошо растворяющийся в алюминии при температуре плавления. Повышенной склонностью к пористости обладают при сварке алюминиево-магниевые сплавы , так как магний увеличивает растворимость водорода в алюминии . Для уменьшения пористости используют рациональную обработку поверхностей перед сваркой с целью удаления влаги, адсорбированной поверхностью металла и входящей в состав оксидной пленки в виде гидратированных оксидов.

При сварке алюминия и его сплавов, не упрочняемых термообработкой, в ОШЗ наблюдаются рост зерна и некоторое разупрочнение, вызванное снятием нагартовки. При сварке алюминиевых сплавов , упрочненных термической обработкой, в ОШЗ также происходит разупрочнение.

Алюминиевые сплавы характеризуются высокой теплопроводностью, из-за чего для их сварки нужно большее количество энергии, чeм для сварки сталей. Благодаря низкoму значению модуля упругости и высокому значeнию коэффициента линейного расширения алюминиевые сплавы пpи сварке характеризуются значитeльными остаточными деформациями, превосхoдящими деформации сварных констpукций из сталей.

Применениe для сварки высококонцентрированных источников энергии, таких как лазерный или электронный луч, во многом устраняет рассмотренные трудности.

Для получения высококачественногo сварного соединения прежде всего нужна тщательнaя подготовка поверхности пoд лазерную сварку. Она предусматривает удаление жировой смазки, которoй покрывают полуфабрикаты при консервации, c последующeй механической обработкой торцов свариваемых кромoк. Пленку оксидов удаляют на ширину 25 .. .30 мм по всей длине соединения травлением в растворе 50г NaОH в 1 л вoды с последующим осветлениeм в 30%- нoм растворе НNО₃. Послe травления детали тщательнo промывают в горячей воде Очищеннaя поверхность сохраняет свoи свойства в течение трех-четыреx дней. Непосредственно перед сваркой свариваемые поверхности нужно зачистить шабером до блеска. Такaя подготовка поверхности позволяeт избежать образования дефектов пpи сварке, в первую очерeдь пористости и оксидных включений.

При сварке алюминиевых сплавов надо обеспечить полноценную защиту шва от окисления. Из известных методов защиты, применяемых при сварке, наиболее эффективной для алюминиевых сплавов является газовая защита. Применение флюсов традиционных составов не дает положительных результатов. Возможно, этот метод защиты найдет применение после разработки соответствующих составов флюсов.

Макси мальная глубина проплавления и высокоe качество шва обеспечиваются использованием гелия в качествe защитного газа, причeм обязательна защита шва c обеих сторон. В целяx экономии допускаетcя применение гелия для защиты тoлько верхней чаcти сварочной ванны, a для нижней и корневой частей подходит аргон.

Основу получения высококачественных сварных соединений составляет правильный выбор параметров режимов сварки. Спецификой лазерной сварки алюминиевых сплавов является наличие порогового уровня мощности лазерного излучения, обеспечивающего проплавление при сварке. Например , для сплава АМг6 мощность СО2-лазера на уровне 2…2,2 кВт сразу дает глубину проплавления 1,5. ..2,0 мм. Пpи меньшей мощности излучения проплавление вообщe отсутствует. Это свянано c сочетанием высокогo коэффициента отражения ( у алюминия он равен 0,97) нa длинe волны 10,6 мкм c высoкими теплоемкостью и теплопроводностью алюминия. При нагреве поверхности алюминия дo температур, близких к температурe плавления, коэффициент отражения резкo снижается и происходит интенсивноe проплавление материала c образованием парогазового канала. Последующеe увеличение мощности излучения привoдит к практичеcки линейному возрастанию глубины проплавления. Нужно отметить, что указaнный порог мощности зависит oт свойств излучения, толщины пластины, степени фокусировки, состояния поверхности и скорости сварки.

Рис. 1. Зависимость геометрических параметров фоpмы шва от скорости сварки.

Благоприятная форма шва с минимальным размером расплавленной зоны обеспечивается оптимизацией режимов лазерной сварки. При этом требуется получить необходимую геометрию шва : занижение k, провисание k₁, ширину верхней b и корневой b₁, частей шва. Занижение и провисание шва обычно задаются техническими условиями, на ответственных изделиях они не должны превышать 10 % толщины материала. С оотношение ширины верхней и корневой частей шва оптимально при их равенстве.

При лазерной сварке такая форма шва обеспечивается на скоростях сварки >22 мм/с (рис . 1). На пластине из сплава АМг6 толщиной δ = 2,0 мм достигаетcя проплавление c практически параллельными кромками пpи ширине шва ~2 мм, занижениe и провисание шва находятcя в допустимых пределах. C увеличением глубины проплавления и мощности излучения ширина шва увеличиваетcя незначительно. Дуговыми методaми сварки получить такую фоpму проплавления невозможно.

Оптимальные режимы сварки излучением СО2-лазера алюминиевого сплава представлены в табл. 1.

Пористость сварных швов сплава АМг6 при оптимальнoй подготовке поверхности на указанныx в таблице 1 режимах лазерной сварки алюминиевого сплава находится в пределах, допустимых пo техническим условиям для наиболее ответственных изделий.

Таблица 1. Режимы лазерной сварки алюминиевого сплава АМг6 излучением СО2-лазера.

δ, мм	Р, кВт	Скорость сварки vcв, м/ч	F,см
2,0	2,1	90	12
	2,3	120
3,0	2,3	90	14
	2,8	120
4,0	2,8	90
	3,1	120

Микроструктура металла сварных соединений, выполненных лазерным излучением на оптимальных режимах, значительно отличается от микроструктуры металла соединений, полученных дуговой сваркой. В шве имеет место мелкодисперсная структура со столбчатыми дендритами, причем размеры дендритов значительно меньше, чем при аргонодуговой сварке.

Структурные изменения в зоне термического влияния при лазерной сварке происходят на участке в 5-6 раз меньше, чем при аргонодуговой сварке. Размер зерна в этой зоне увеличивается незначительно. Подобная структура благоприятна для достижения высокого уровня механических свойств и предотвращения горячих трещин.

Для повышения эффективности процесса разработан метoд лазерной сварки алюминиевых сплавов пo слою флюса. В состав разработанныx флюсов для сварки излучением СО2-лазера алюминиевых сплавов систем Аl — Mg и Аl — Mg — Li в ключены графит, порошки металлов, фториды щелочных и щелочно-земельных металлов, которые способствуют увеличению коэффициента поглощения излучения, улучшают поверхностную активносгь, обеспечивают высoкий коэффициент поверхностного натяжения расплавa флюса. Применение флюсов для лазерной сварки алюминиевых сплавов привoдит к перераспределению баланса энергии, чтo связано c увеличением поглощательной способности и удалениeм оксидной пленки. При этoм достигается увеличение эффективного КПД этого процесса, снижаетcя граница критической плотности мощности, характернaя для лазерной сварки алюминиевых сплавов. Таким образом, обеспечивается нe скачкообразное, а плавноe увеличение глубины проплавления пpи возрастании вводимой энергии.

• < Дуговая механизированная сварка алюминия, управляемая подача проволоки (2)
• Подготовка под сварку деталей из алюминия и его сплавов >

Технология аргонодуговой сварки алюминия и его сплавов

Аргонодуговым способом сваривают различные типы соединений алюминия и сплавов на его основе. В зависимости от толщины свариваемых элементов применяют аргонодуговую сварку неплавящимся вольфрамовым (с присадкой и без нее), а также плавящимся электродами.

Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом — лучший способ соединения тонколистового алюминия, не уступает по производительности сварке по флюсу и аргонодуговой сварке плавящимся электродом толстолистового алюминия.

Качество швов при аргонодуговой сварке алюминия и сплавов на его основе зависит от чистоты аргона, поэтому он должен не иметь следов влаги и содержать не более 0,03% кислорода и не более 0,3% азота. Хорошие (плотные) швы получаются также при сварке в защитной смеси из 65% гелия и 35% аргона.

При сварке вольфрамовым электродом стыковых соединений металла толщиной до 3 мм кромки не скашиваются. В соединениях металла толщиной до 6 мм делают односторонний скос кромок с общим углом раскрытия 60—90° и притуплением в стыке до 1,5 мм, а при толщине металла до 9 мм — такой же скос кромок, но с притуплением до 2,5 мм.

Металл толщиной до 20 мм сваривают с двусторонним скосом кромок и углом раскрытия 60—90°, с притуплением 3 мм или односторонней рюмкообразной подготовкой кромок с углом раскрытия 40—60°, радиусом закругления у основания разделки 5 мм и притуплением в стыке 3 мм.

Металл толщиной до 6 мм сваривают односторонним швом на подкладке. При толщине металла более 6 мм после выполнения шва с одной стороны вырубают корень этого шва и стык затем сваривают с обратной стороны. В том случае, когда за один проход не удается заполнить разделку, сварку выполняют в два прохода, причем первый проход делают без присадки с полным проплавлением стыка, а второй — с присадкой для заполнения разделки и получения необходимого усиления шва.

При сварке алюминия и его сплавов в инертных газах раскисляющий флюс не применяется. Вместе с тем аргон даже самого высокого качества содержит некоторое количество кислорода, достаточное для образования пленок окислов жидкого металла.

Если в процессе сварки пленки окислов не разрушаются, то металл шва засоряется ими и в отдельных местах сварного соединения может образоваться несплавление кромок, а также несплавление присадочного металла с основным. Разрушить же эти пленки можно лишь в том случае, если сварочная ванна (изделие) будет катодом.

Тогда с поверхности жидкой ванны и соседних с ней зон менее нагретого металла происходит вырывание металлических частиц (катодное распыление металла). Вследствие катодного распыления пленки окислов, образующиеся в сварочной ванне, разрушаются, что обеспечивает хорошее сплавление кромок и формирование шва без применения флюса.

Изделие может быть катодом как при сварке постоянным током обратной полярности, так и при сварке переменным током. В последнем случае катодное распыление и, следовательно, очищение сварочной ванны от окислов происходит в полупериоды обратной полярности тока.

Поскольку ток обратной полярности (плюс на электроде) нельзя использовать из-за перегрева электрода, а прямой из-за необходимости очищения сварочной ванны от пленок окислов, аргонодуговую сварку алюминия вольфрамовым электродом выполняют переменным током.

Аргонодуговая сварка алюминия плавящимся электродом выполняется постоянным током обратной полярности. Переменный ток при такой сварке не применяется. Для питания дуги переменным током используют стандартные сварочные трансформаторы с осцилляторами и стабилизаторами, а для питания постоянным током — преобразователи с падающей, жесткой или возрастающей внешней характеристикой.

Для сварки разноименных алюминиевых сплавов, обеспечивающих сварным соединениям повышенную стойкость против горячих трещин, рекомендуется применять следующие марки проволок:

Марки свариваемых сплавов	Марки сварочной проволоки
АДО+АМц	СвА5
АДО+АМгЗ	СвАМг6
АДО+АМг5	СвАМг6
АДО+АМг6	СвАМг6
АДЦ+АМгЗ	СвАМг6
АДЦ+АМг5	СвАМг6
АДЦ+АМг6	СвАМг6

Марки свариваемых сплавов	Марки сварочной проволоки
АМг3+АМг5	СвАМг6
АМг3+АМг6	СвАМг6
АМг5+1915	СвАМг6, Св1557
АМг6+1915	Св1557
АД31+АМцС	СвАК5
АД31+АМгЗ	СвАМг6
АД31+АМг6	СвАМг6
АД51+АМг6	СвАМг6

Состав газообразного аргона должен быть следующим:

Марка аргона	Содержание, %
	Аг	О2	Н1	Влага при давлении 760 мм рт. ст., г/м3
А	Не менее 99,99	Не более 0,003	0,01	0,03
Б	Не менее 99,96	Не более 0,005	0,04	0,03

Состав газообразного гелия, применяемого для сварки (%):

Содержание	Гелий высокой чистоты
Гелия (не менее)	99,985
Водорода (не более)	0,0025
Азота (не более)	0,005
Кислорода (не более)	0,002
Углеводородов (не более)	0,003
Неона (не более)	0,002
Точка росы (не выше)	-55°С

При автоматической аргонодуговой сварке вольфрамовым электтродом горелка (мундштук) обычно располагается вертикально, а присадка подается механизмом автомата со стороны, противоположной направлению сварки.

Сварка плавящимся электродом может выполняться автоматом и шланговым полуавтоматом. При полуавтоматической сварке горелку наклоняют под углом 60—80° к плоскости изделия и перемещают углом вперед или углом назад с небольшими плавными поперечными колебаниями или без колебаний. При автоматической сварке горелку располагают вертикально.

Сварка алюминия и его сплавов

Сварка алюминия и его сплавов, все виды сварки в Петербурге: +7 (905) 209 34 10

При изготовлении сварных конструкций используют чистый алюминий, а также сплавы на его основе, которые делятся на:

• Литейные. Применяются для отливок. Сварка алюминия из подобных сплавов актуальна для исправления литейных дефектов.
• Деформируемые. Применяются в форме проката, поковок и пр. Бывают термоупрочняемыми и нетермоупрочняемыми.

Почти все термоупрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы являются трудносвариваемыми, поэтому их целесообразно использовать только тогда, когда изделие можно подвергнуть термической обработке.

Специалисты компании WeldingProf обладают высоким профессионализмом и опытом. Мы работаем со всеми видами металлов. Звоните, наши специалисты ответят на ваши вопросы.

Сварка алюминия и его сплавов – +7 (905) 209 34 10

Марки деформируемых термоупрочняемых сплавов классифицируются следующим образом:

1. ВАД1, ВД17, Д1, Д16, Д18, Д19, М40 – сплавы на основе алюминия, меди и магния.
2. В92, В92Ц – сплавы на основе алюминия, магния и цинка.
3. АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8 – сплавы на основе систем из алюминия, магния и кремния и алюминия, магния, кремния и меди.
4. АК2, АК4-1, АК4 – сплавы на основе системы из алюминия, магния, меди, железа и никеля.
5. Д20 и Д21 – сплавы из алюминия, меди и марганца.
6. ВАД23 – сплавы на основе системы из алюминия, марганца, меди, лития и кадмия.
7. В93, В94, В95, В96 – сплавы на основе системы из алюминия, магния, меди и цинка.

Нетермоупрочняемые – это свариваемые сплавы, поэтому именно они наиболее распространены при проведении работ по сварке алюминия.

Марки деформируемых нетермоупрочняемых сплавов классифицируются следующим образом

1. АМц – сплавы на основе системы из алюминия и марганца.
2. АМг – сплавы на основе системы из алюминия и магния.
3. АД и АД1 – технический алюминий.

Сварка алюминия и его сплавов — возможные проблемы и их решения

1. При сварке алюминия и его сплавов возможно появление тугоплавкого оксида алюминия с температурой плавления 2050°С. Плотность Al₂O₃ выше, чем у алюминия, поэтому сплавление кромок соединения становится более сложным. Кроме того, частички этой пленки загрязняют металл в области шва. Чтобы удалить пленку, перед сваркой требуется очистить поверхность кромок и прилегающего металла. При этом с особенной тщательностью проверяется поверхность присадочного металла. Это делается путем травления или механически. Удалить оксидную пленку можно при помощи флюсов, обеспечивающих ее растворение и последующее разрушение, либо катодного распыления. Катодное распыление можно использовать при сварке на обратной полярности. В случае с аргонной сваркой неплавящимся электродом обратную полярность не применяют в связи с нерациональным распределением тепла между изделием и электродом. Поэтому сварку проводят на переменном токе, когда пленка разрушается в полупериоды обратной полярности.
2. При больших температурах быстро снижается прочность, поэтому твердый метал части кромок, которые не успели расплавиться, может разрушить масса сварочной ванны. Алюминий характеризуется большой жидкотекучестью и может вытечь через основу шва. При нагреве его цвет остается практически неизменным, поэтому во время сварочных работ трудно держать под контролем размеры сварочной ванны. Во избежание провалов и прожогов при сварке первых слоев швов или однослойной сварке металла на высокой погонной энергии применяют специальные формирующие графитовые, стальные или керамические подкладки.
3. Из-за низкого модуля упругости и высокого коэффициента линейного расширения для сплавов из алюминия характерна повышенная склонность к деформации. Чтобы ее уменьшить, можно выбирать подогрев, оптимальные режимы сварки и другие технологические мероприятия.
4. Сварка алюминия может быть затруднена пористостью, которая обуславливается водородом и снижает прочность и пластичность металла. Поры обычно появляются у линии сплавления и в металле шва. Наиболее склонны к образованию пор сплавы категории АМг.

Чтобы этого избежать, требуется предельно тщательно химически чистить сварочную проволоку, а также очищать механическим способом и обезжиривать свариваемые кромки. Когда производится сварка металла большой толщины, пористость можно снизить предварительным и сопутствующим подогревом до температуры примерно в 150–250°С.

1. Так как алюминий отличается высокой теплопроводностью, при его сварке необходимо наличие мощных тепловых источников. Иногда можно предварительно подогреть начальные участки сварного шва до 120–150°С или произвести сопутствующий подогрев.
2. В металле шва при сварке могут появиться горячие трещины – их вызывают процессы внутренней деформации и напряжение, возникающее, когда металл сварочной ванны начаинает кристаллизоваться. Чтобы свести к минимуму или вообще исключить вероятность их появления, можно добавить в сварные швы особые модификаторы для улучшения кристаллической структуры шва. Кроме того, следует избегать близкого расположения швов.

Особенности сварки инертными газами, аргонодуговая сварка алюминия и сплавов

При сварке алюминия инертными газами применяются плавящиеся или неплавящиеся (вольфрамовые) электроды. Инертные газы, используемые для сварки – это гелий повышенной чистоты, аргон первого или высшего сорта и аргоново-гелиевые смеси.

Электроды из вольфрама могут быть лантанированными или иттрированными. Для сварки металла толщиной до 12 мм целесообразно использовать вольфрамовый электрод диаметром 2-6 мм. При выборе присадочной проволоки, диаметр которой составляет 2-5 мм, необходимо обращать внимание на марку сплава алюминия. Так, для технического алюминия можно выбрать проволоку марки АД, АК или АО, для сплавов группы АМг – проволоки подобных марок, в составе которых имеется повышенное количество магния: это позволяет компенсировать его угар.

При ручной аргонной сварке с помощью электрода из вольфрама можно использовать установки переменного тока типа УДГ, где уровень расхода аргона равен 6-15 л/мин. Для сварки металла можно использовать и гелий при условии, что его расход выше расхода аргона в 1,8–2,2 раза. При аргонной сварке напряжение дуги находится на уровне 15–20 В, при гелиевой сварке – 25-30 В.

При толщине алюминиевых листов не больше 3 мм можно выполнять сварку за один проход на подкладке. При толщине металла от 4 до 6 мм можно не выполнять скос кромок и осуществлять сварку за два прохода с обеих сторон. При сварке металлических листов, толщина которых составляет более 6 мм, необходимо производить V-образную разделку и увеличить количество проходов до 4-х. Также можно сделать Х-образную разделку. Для протяженных швов применяется автоматическая сварка.

Чтобы в несколько раз повысить производительность сварки электродом из вольфрама, можно применять трехфазную дугу. Благодаря источнику нагрева большей мощности имеется возможность произвести сварку алюминия толщиной до 30 мм всего за один проход.

Нагрев металла происходит непрерывно, так как всегда присутствует одна из трех дуг – одна независимая, которая горит между электродами, и две зависимые, которые горят между электродами и изделием.

Сварку плавящимися электродами можно осуществлять в чистом аргоне или в аргоново-гелиевой смеси. Диаметр используемой проволоки составляет 1,5–2,5 мм. Необходимое условие – наличие постоянного тока обратной полярности. Разделку кромок можно выбрать как V-образную, так и X-образную, при этом угол раскрытия должен составлять 70–90°. Также можно применить рюмкообразную разделку кромок.

На скорость сварки влияет сечение шва – она может достигать 40 метров в час. Проволоку следует подавать со скоростью не выше 400 метров в час. Если используется смесь из 70% гелия и 30% аргона, увеличивается ширина и глубина провара, благодаря чему можно осуществить сварку листов толщиной до 16 мм за 1 проход и толщиной за 30 мм – за 2 прохода. В этом случае форма сварного шва становится более благоприятной.

Дуговая автоматическая сварка алюминия

Аргонодуговая сварка алюминия и сплавов из него выполняют закрытой дугой под флюсом или наполовину открытой дугой по слою флюса.

При автоматической сварке по слою флюса можно использовать фторидно-хлоридные флюсы марок АН-А4 и АН-А1. Марку АН-А1 применяют для сварки технического алюминия, марку АН-А4, которая не содержит хлорид натрия – для сплавов на основе магния и алюминия. Дело в том, что для подобных сплавов недопустимо наличие во флюсе хлорида натрия, так как алюминий и магний восстанавливают натрий из флюса, который затем попадает в шов, из-за чего в металле возникает пористость и снижается его пластичность.

Автоматическая сварка листов производится по слою флюса, так как даже в нерасплавленном состоянии флюс отличается высокой электропроводностью, что способствует шунтированию электрической дуги и нарушению стабильности всего процесса. Толщина и ширина слоя флюса зависят от толщины листа алюминия (обычно, толщина составляет 7-16 мм, ширина – 25-45 мм). Чтобы исключить протекание жидкого металла с обратной стороны шва, необходимо наличие формирующей подкладки из стали. Питание дуги происходит за счет постоянного тока обратной полярности.

Автоматическая сварка под флюсом выполняется с помощью расщепленного электрода на постоянном или переменном токе обратной полярности. Используются флюсы с низким уровнем электропроводности, например флюсы из керамики марок ЖА-64А и ЖА-64.

Сварка алюминия газом

Для газовой сварки алюминия применяется ацетилен, расход которого составляет примерно 100 л/ч на 1 мм толщины листа металла.

Присадочным прутком служит алюминиевая проволока, диаметр которой равен 1,5–5,5 мм – точное значение зависит от толщины изделия.

Чтобы избежать окисления металла и удаления появляющихся оксидов, применяют особые флюсы – так, это может быть марка АФ-4А. В процессе сварки флюс предварительно наносится на свариваемые кромки в виде пасты, разведенной в воде, или вводится с присадочным прутком. В разведенном состоянии флюс хранится максимум 8-10 часов.

Если толщина заготовок составляет более 4 мм, лучше произвести разделку кромок, более 8 мм – осуществить местный или общий подогрев. Сварку делают “левым” способом. Когда работа закончена, флюсы удаляют путем промывания сварных швов двухпроцентным раствором хромовой кислоты или обыкновенной теплой водой.

Ручная дуговая сварка

Дуговую ручную сварку покрытыми электродами применяют для заготовок из чистого алюминия, алюминиево-кремниевых сплавов, а также для некоторых сплавов АМг и АМц. При сварке используется постоянный ток обратной полярности, работу обычно выполняют на большой скорости без поперечных колебаний. Если толщина металла составляет более 10 мм, лучше произвести разделку свариваемых кромок.

Обычно применяют стыковое соединение. Тавровые и нахлесточные соединения использовать не рекомендуется, так как возможно затекание шлака в зазоры, и при промывке его трудно будет удалить. А из-за этого может начаться коррозия.

Перед началом сварки требуется произвести подогрев деталей до температуры 100–400°С – точные цифры зависят от их толщины. Для изготовления металлического стержня электрода используют проволоки, чей состав приближен к составу основного металла. При работе со сплавами АМг применяют проволоки с высоким содержанием магния – это позволяет компенсировать его угар в процессе сварки. Основные составляющие электродного покрытия – это хлористые соли натрия и калия, а также криолит.

Угольный электрод целесообразно применять при ручной сварке неответственных конструкций. Необходимое условия для сварки – постоянный ток прямой полярности. Электродами служат стержни из графита или угля. Если толщина свариваемого изделия превышает 2,5 мм, необходимо произвести разделку кромок. Диаметр присадочного прутка должен составлять 2-8 мм. Флюс, доведенный до консистенции пасты, наносят на пруток или на свариваемые кромки.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковую сварку применяют для изделий толщиной 50-250 мм, при этом особую эффективность она показывает при работе с изделиями большой толщины. Сварка осуществляется на переменном токе с помощью пластинчатых электродов или плавящихся мундштуков. Основой используемых флюсов должны служить галогениды щелочных и щелочноземельных металлов. Формирование шва происходит при помощи графитовых или медных водоохлаждаемых кристаллизаторов. Скорость сварки – около 6-8 метров в час. Прочность получаемых сварных соединений составляет примерно 80–100% от уровня прочности доминантного металла.

Плазменная сварка

Для этого вида сварки характерны глубокое проплавление и высокая концентрация энергии в точке нагрева, поэтому этот способ считается одним из наиболее перспективных.

Среди преимуществ плазменной сварки необходимо отметить следующие:

• Небольшая область термического влияния.
• Стабильность и простой контроль процесса (особенно в сравнении с ручной дуговой сваркой).
• Высокая скорость.

Благодаря глубокому проплавлению серьезно возрастает доля основного металла, который участвует в формировании сварного шва. Однако при ведении горелки вдоль стыка и сборке деталей для сварки необходимо соблюдать предельную точность. Для алюминиевых сплавов необходимо обеспечить питание дуги переменным током.

Электронно-лучевая сварка алюминия и его сплавов

Электронно-лучевую сварку можно назвать одним из самых эффективных методов соединения алюминиевых изделий и сплавов из него.

Преимущества такого способа сварки таковы:

• Минимальное повреждение конструкций.
• Большая скорость сварки.
• Минимальное снижение прочности алюминия в области термического воздействия.
• Минимальные вложения тепла.
• Плотные качественные швы.

Разрушение оксидной пленки алюминия происходит в связи с воздействием на нее паров металла, а также ее разложением в вакуумной среде. Кроме того, вакуум помогает удалять водород из сварного шва.

Газовая сварка алюминия и его сплавов.

Газовая сварка алюминия — это хорошая альтернатива дорогой аргонно-дуговой сварке. Оборудование газовой сварки может быть аж в десять раз дешевле современного аргонно-дугового аппарата, с  обеими функциями переменного и постоянного тока (подробнее о нём в этой статье). И тем не менее качество шва может не намного уступать дорогому аргонно-дуговому аппарату. Алюминий и его сплавы хорошо свариваются газовой сваркой. И даже всемирно признанный авторитет в обработке листового металла Ронн Ковель, в своих видео-уроках по изготовлению бензобаков для чёппера из алюминия, не смотря на наличие дорогого аргонно-дугового аппарата известной американской фирмы «Миллер Электрик», варит алюминиевый бензобак обыкновенной газовой горелкой. А вообще рекомендую сначала научиться варить алюминий газовой сваркой, и только после этого приобретать дорогой аргонно-дуговой сварочный аппарат и начинать учиться варить на нём. Опыт и навыки газовой сварки непременно пригодятся вам при обучении сварке в среде аргона.

Особенность сварки алюминия  и его сплавов состоит в образовании очень тугоплавкой плёнки окиси алюминия(AL2O3), которая располагается на поверхности жидкого металла сварочной ванны.Парадокс состоит в том, что температура плавления алюминия всего 657°С, а температура плавления окисной плёнки аж 2060°С. Эта плёнка окиси препятствует сплавлению частиц металла и обязательно должна удаляться с помощью флюса. Газовую сварку алюминиевых сплавов наиболее целесообразно применять для толщин от 1 до 5 мм. Она даёт хорошие результаты при правильном выборе режима сварки, наличии навыков у сварщика и применения флюсов, которые хорошо растворяют окись алюминия.

флюсы для газовой сварки алюминия.

Важное значение имеет правильный выбор мощности пламени, так как плёнка окиси алюминия полностью закрывает сварочную ванну и мешает сварщику контролировать начало расплавления металла. При слишком мощном пламени этот момент может быть упущен и тогда в месте сварки образуется сквозное проплавление металла, которое трудно поддаётся исправлению. В зависимости от толщины металла, мощность пламени при сварке алюминия и его сплавов должна быть : при толщине металла в 0,5 — 0,8 мм расход ацетилена 50 дм³/ч; при толщине 1 мм расход ацетилена 75 дм³/ч; при толщине 1,2 мм  75 — 100 дм³/ч ; при толщине 1,5 — 2 мм 150 — 300 дм³/ч; при толщине 3 — 4 мм 300 — 500 дм³/ч.

Флюсы . Для сварки алюминия разработано множество флюсов и основные из них приведены в таблице. Флюс наносят на зачищенные от грязи и окислов кромки металла и присадочную проволоку, составы флюсов наносят в виде пасты или порошка. Входящие в состав флюса хлористые соли, например лития, отнимают кислород от окиси алюминия, а фтористые соединения растворяют в расплавленном состоянии окись алюминия. Все флюсы для сварки алюминия гигроскопичны, то есть жадно поглощают влагу, и поэтому должны храниться в герметичных стеклянных банках, и готовить флюс желательно небольшими порциями, в соответствии с фактическим расходом флюса на сварку. После сварки остатки флюса необходимо тщательно удалять промывкой жёсткой щёткой в горячей воде, так как остатки флюса вызывают коррозию шва.

В таблице по подготовке кромок показаны способы и углы подготовки кромок при газовой сварке алюминиевых сплавов. Листы толщиной менее 1,5 мм можно сваривать с отбортовкой кромок. Соединений в нахлёстку следует избегать из за опасности затекания флюса между листами и последующей коррозии соединения, да и не шов это, когда соединяют детали внахлёст. Я считаю что листы должны соединяться только встык и на одном уровне, только тогда после проковки и шлифовки шва можно добиться качества однородной детали.

Не смотря на применение флюса, желательно перед сваркой кромки свариваемых деталей очистить промывкой в щелочном растворе, состоящем из 20 — 25 грамм едкого натра и 20-30 грамм углекислого натрия на 1 дм³ горячей воды(65°С), а затем кромки промывают в воде комнатной температуры. Сплавы АМц и АМг ещё и желательно протравить перед сваркой в 25%-ном растворе ортофосфорной кислоты, а сплавы Д и АМг можно протравить в 15%-ном растворе азотной кислоты. После травления кромки промывают в тёплой воде и насухо вытирают. Во избежание нового окисления, металл сваривают не позже 8 часов после указанной подготовки. Хотя сейчас в крупных городах можно найти фирменные флюсы, с которыми травление кромок перед сваркой можно не делать.

Присадочная проволока. Для газовой сварки алюминия и его сплавов предусмотрено 12 марок проволоки диаметром от 1 до 12 мм. Применяют проволоку из чистого алюминия марок А0 и А1 химического состава — 55 ; из алюминия марок АД, АД1 и алюминиевых сплавов марок АМц, АМг, АМг5п, АК, АМгЗ, АМг5В, АМг6, Д20 химического состава 49( по ГОСТ). Проволока для газовой сварки алюминия поставляется в бухтах в нагартованном состоянии, чистой, гладкой, без грубых следов протяжки, трещин, расслоений и вмятин. На поверхности проволоки не допускаются белые и тёмные пятна с шероховатой поверхностью, являющиеся признаком коррозии. Допускаются белые и тёмные пятна без шероховатостей, а так же цвета побежалости, которые являются следствием отжига проволоки.

Для сварки алюминия можно применять проволоку той же марки, что и свариваемый металл. При сварке термически обработанных алюминиевых сплавов и сплава АМц, лучшие результаты даёт применение проволоки АК, которая содержит 5% кремния, повышающего жидкотекучесть металла шва и даёт меньшую усадку. Для сплавов АМг не рекомендую применять проволоку АК, так как она снижает пластичность шва, лучше использовать проволоку АМг, с несколько большим содержанием магния, чем в основном металле. Для сварки литых алюминиевых деталей используйте проволоку АК, АМц или проволоку из чистого алюминия. Проволока из чистого алюминия подходит почти ко всем алюминиевым сплавам, но всё же советую использовать проволоку точно такого же сплава, что и свариваемый металл и вы не ошибётесь и шов будет качественным.

Алюминий и его сплавы сваривают левой сваркой, только восстановительным пламенем(о видах сварочного пламени читаем в этой статье) или с небольшим избытком ацетилена. Угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла должен быть не более 45°. Для закрепления кромок делайте предварительные прихватки. Допускается лёгкая проковка шва в холодном состоянии. Литые алюминиевые детали рекомендую сваривать участками по 50 -60 мм и с предварительным подогревом до 200 — 250°С (особенно массивные детали). После сварки для получения и сохранения мелкозернистой структуры алюминия, литые детали подвергаем отжигу при температуре 300 — 350°С и затем медленно охлаждаем.

 

Сварка алюминиевых сплавов в Иркутске

Сварочный участок ООО «Сварочная техника» выполняет работы по сварке металлоконструкций, наплавке, напылению, ремонтной сварке изделий из сталей, чугунов, алюминиевых сплавов, корозионно-стойких сталей, титановых и медных сплавов. На участке работают высококвалифицированные специалисты сварщики, имеющие допуски к сварке ответственных конструкций. Сварка алюминия на нашем участке ведется как аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом («аргоном»), так и механизированной сваркой проволокой в защитном газе («полуавтоматом»). Расценки за сварочные работы: оплата за выполненные работы осуществляется в соответствии действующим прайс-листом за наличный и безналичный расчёт. Сейчас вы знаете где можно сварить алюминий и алюминиевые сплавы.

Сварка поплавка на транце катера	Сварка алюминиевого пола микроавтобуса
Сварка рубки катера из алюминия	Сварка самоката из алюминиевого сплава
Сварка катера	Сварка подножки грузовика
Сварка рамы квадроцикла BRP	Сварка передвижнаой емкости под топливо
Сварка поддона двигателя	Сварка цистерны
Наплавка мест кавитационного износа на винте	MIG сварка алюминиевой ступицы
Сварка алюминиевой лестницы с корзиной	Сварка автомобильного диска
Сварка крышки коробки передач	Сварка крышки электродвигателя
Аргонодуговая сварка бака из алюминия	Сварка носовой части лодки
Сварка поддона двигателя	Ремонтная сварка лодочного мотора
Сварка конструкции театральных декараций	Cварка трубки кондиционера
Наплавка колеса из алюминия	Сварка радиаторов автомобилей
Сварка радиатора скутера	Сварка корпуса автомобильной коробки передач
Сварка бампера внедорожника	Сварка радиатора автомобиля
Сварка теплообменников из алюминия	Сварка автомобильных дисков
Сварка декораций из алюминиевого профиля	Сварка рамы мотоцикла
Сварка бензобака автомобиля	Сварка алюминиевой обрешётки автофургона
Сварка крепления зеркала из сплава ЦАМ	Сварка крестовины центрифуги из сплава ЦАМ
Ремонтная сварка опалубки из алюминиевого сплава	Сварка радиатора из алюминиевого сплава

Сварка алюминия относится к числу наиболее востребованных сварочных работ. Из алюминия и его сплавов (таких, например, как силумин) изготавливают многие автомобильные детали, электротехнические изделия,  детали технологического оборудования и многое другое. Особенно сварка алюминия актуальна при ремонте автомобилей, поскольку стоимость сварочных работ значительно ниже цены новых деталей. В автомобилях из алюминиевых сплавов изготавливаются автомобильные диски, бензобаки, кузова и многие детали двигателей и коробок передач. К особенностям алюминия и сплавов на его основе относится их высокая электро- и теплопроводность и наличие на поверхности окисной плёнки. Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла от повторного окисления. С этой целью используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в атмосфере инертных газов. В качестве защитного газа  обычно используется аргон. Он служит катализатором процесса, позволяет эффективно противодействовать окислению и образованию пор. Обязательной является очистка алюминиевых поверхностей перед сваркой, разделка трещин, удаление окисленного слоя. Правильный выбор присадочных материалов – это важный фактор, повышающий качество сварного шва, который должен составлять единое целое со свариваемыми фрагментами. Тем самым обеспечивается герметичность шва, прочность и длительный срок службы отремонтированной детали. Использование сложного сварочного оборудования требует профессиональных навыков и опыта. Поэтому сварка алюминия в Иркутске – это дело настоящих мастеров, уверенных в себе и гарантирующих высокое качество выполняемых работ.

 

Связаться

Фотоника — научно-технический журнал — Фотоника

Сплавы алюминия применяются в различных отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию свойств: низкой плотности при высоких значениях удельной прочности, коррозионной стойкости и теплопроводности. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана [1]. Наши исследования касались вопросов лазерной сварки следующих систем алюминиевых сплавов: Al-Mg(Амг6), Al-Mg-Si-Cu (АД37), АL-Mg-Li (01420,1424), АL-Mg-Sc (01570, 01545К), AL-Cu (1201), AL-Cu-Li-Sc (01421) и AL-Cu-Li-Sc (01460) и Al-Cu-Li (1461).

Известно, что лазерная сварка характеризуется наименьшим тепловложением в сравнении с другими методами сварки [2]. Поэтому ее применение должно быть целесообразно как с точки зрения остаточных напряжений и деформаций, так и с позиции уменьшения размеров зоны разупрочнения в термоупрочняемых сплавах. Преимущества лазерной сварки алюминиевых сплавов в следующем:

* снижение коробления деталей после сварки;
* повышение технологичности изготовления деталей;
* высокая степень автоматизации;
* отсутствие требования применения вакуумных камер (в отличие от электронно-лучевой сварки), что особенно важно для крупногабаритных конструкций.

Процесс сварки плавлением алюминиевых сплавов связан с рядом особенностей, которые сказываются на технологии, выборе метода, режимов и свойствах сварных соединений [3]. Металлургические особенности сварки алюминиевых сплавов определяются взаимодействием их с газами окружающей среды, интенсивностью испарения легирующих элементов, а также особенностями кристаллизации в условиях сварочного процесса. В частности, алюминиевые сплавы достаточно чувствительны к влиянию окружающей среды с образованием окисных включений и пор при взаимодействии с атмосферой воздуха [3]. В связи с этим при разработке технологии их сварки лазерным лучом требуется более тщательная защита шва от воздействия окружающей среды. Для защиты сварного шва от окисления и воздействия на плазму можно использовать различные защитные газы — He, Ar, CO2, N2, а также их смеси. С точки зрения газовой защиты в зоне лазерного излучения целесообразно применять газы с высоким потенциалом ионизации. Мы рекомендуем следующую схему газовой защиты сварного шва: защита поверхности шва He с расходом 8-10 л/мин, а корня — Ar (5-8 л/мин).

Помимо этого возможна флюсовая защита поверхности и корня шва. Для этой цели мы разработали специальные составы флюсов, которые наносим на поверхность стыка и на его корневую часть путем окрашивания перед сваркой. Применение флюсовой защиты позволяет снизить требования к сборке за счет увеличения возможного зазора в 2-3 раза.

Для лазерной сварки алюминиевых сплавов толщиной более 1,0 мм требуется достаточно высокая мощность лазерного излучения, что влияет на выбор соответствующего оборудования, способного работать в непрерывном режиме с мощностью более 2,0 кВт. Отличительной особенностью лазерной сварки алюминиевых сплавов является пороговый характер проплавления. Он заключается в том, что расплавление металла начинается только при определенном уровне плотности мощности (около 106 Вт/см2).

Этот эффект объясняется сочетанием высокого коэффициента отражения, теплопроводности и теплоемкости алюминия. После начала процесса плавления коэффициент отражения резко снижается и происходит интенсивное проплавление металла с образованием парогазового канала. Указанный порог плотности мощности зависит от длины волны излучения, параметров фокусировки, скорости сварки, толщины и состояния поверхности пластин, а также от состава материала.

В качестве промышленных источников для лазерной сварки и резки обычно используются два основных типа лазерных установок: это быстропроточные газовые СО2-лазеры и мощные твердотельные лазеры на основе Nd:YAG-кристаллов [2]. Для сварки алюминия и его сплавов с точки зрения их поглощающей способности твердотельные лазеры с длиной волны λ = 1,064 мкм более предпочтительны, чем газовые (λ = 10,6 мкм). В настоящее время активное применение в промышленности находит новейший тип лазеров — волоконный [4]. Для проведения исследований по сварке волоконным лазером мы использовали комплекс на основе волоконного иттербиевого лазера фирмы «ИРЭ-Полюс» ЛС-3,5 мощностью 3,5 кВт. Исследования показали, что уровень плотности мощности, необходимой для начала проплавления, при применении волоконного лазера примерно в 2 раза меньше, чем СО2-лазера (рис.1). В табл.1 показаны режимы сварки сплава 01570 волоконным и СО2-лазером. Из таблицы видно, что погонная энергия, необходимая для сварки листа толщиной 2,0 мм волоконным лазером, на 30% ниже, чем при сварке СО2-лазером.

Сваренные соединения, полученные излучением СО2-лазера и волоконного лазера, практически не отличаются по внешнему виду и по макроструктуре. На всех исследованных сплавах наблюдалась малая ширина шва и объем сварочной ванны. Как видно из рис. 2а, при сварке материала толщиной 2,0 мм достигается проплавление с практически параллельными кромками при ширине шва около 2,0 мм, занижение и провисание шва находятся в допустимых пределах. В сравнении с аргонно-дуговой сваркой (АрДС) объем расплаленного материала при лазерной сварке в 2-3 раза меньше (рис.2б).

Анализ внешнего вида сварных соединений показывает, что на всех режимах сварки наблюдается так называемая «чешуйчатость». Это связано с тем, что процесс лазерной сварки сопровождается кипением, испарением и резким волнообразным охлаждением материала в сварочной ванне. Результаты экспериментов показали, что на медленной скорости сварки (до 1,0 м/мин) чешуйчатость менее выражена, чем на высокой (2,0-8,0 м/мин) скорости. Варьирование режимами сварки не дает полного устранения чешуйчатости ни на одном из исследованных сплавов. Одним из эффективных технологических приемов является повторный проход по поверхности шва расфокусированным лучом, что позволяет загладить шероховатость поверхности.

Для устранения занижения шва и снижения шероховатости был применен метод сварки с присадочной проволокой. Внешний вид типичного шва, полученного с присадочной проволокой, показан на рис.3а поперечный шлиф этого соединения на рис.4. Применение присадочной проволоки позволяет снизить требования по сборке стыков. Мы получили качественные сварные соединения с присадочной проволокой при зазорах в диапазоне от 0,1 до 1,0 мм.

Диаметр и скорость подачи проволоки подбирается исходя из толщины свариваемого материала и скорости сварки, диаметр проволоки при лазерной сварке составляет 0,6-1,2 мм. Оптимальный угол подачи лежит в пределах 25-35°. При сварке с присадкой принципиально возможны два способа подачи проволоки — перед излучением и за ним. Направление подачи проволоки может существенно повлиять на эффективность и стабильность процесса. На скоростях подачи свыше 4 м/мин сварочная ванна более стабильна, когда подача проволоки осуществляется в хвост ванны. На рис.5 показан процесс сварки с присадочной проволокой.

Кристаллическая структура металла шва определяет его механические свойства. При сварке алюминиевых сплавов кристаллическая структура и механические свойства металла швов изменяются в зависимости от состава сплава, способов и режимов сварки. Проведенное нами исследование микроструктуры полученных сварных соединений указывает на наличие в центре сварного шва дендритного строения литого металла, который к периферии становится несколько более грубым, затем следует зона рекристаллизованных зерен, переходящая в волокнистую структуру основного материала. Шов и зона сплавления имеют довольно мелкозернистое строение (величина зерна ~50 мкм). В литой зоне сварного шва не наблюдаются грубые интерметаллидные фазы, что объясняется высокими скоростями кристаллизации при лазерной сварке (рис.6).

Подобная структура считается благоприятной для обеспечения достаточного уровня механических свойств и предотвращения образования кристаллизационных трещин.

Структурные изменения в зоне термического влияния при лазерной сварке происходят на участке, в 3-5 раз меньшем, чем при аргонно-дуговой сварке. Увеличение размера зерен в этой области не наблюдалось.

Указанные структурные особенности обеспечиваются высокими скоростями сварки и высоким уровнем плотности мощности, что дает возможность получать жесткие термические циклы со скоростями охлаждения, существенно превышающими соответствующие значения для дуговых методов сварки.

Свойства сварных соединений зависят также от процессов, протекающих в околошовных зонах. При сварке чистого алюминия и сплавов, не упрочняемых термической обработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и некоторое его разупрочнение, вызванное снятием нагартовки. Это зависит от способа сварки, режимов и степени предшествующей нагартовки. Свариваемость сплавов системы Аl-Мg осложняется склонностью к образованию пористости и вспучиванию в участках основного металла, непосредственно примыкающих к шву при наличии в полуфабрикатах большого количества молекулярного водорода.

При сварке сплавов, упрочненных термической обработкой, в околошовной зоне происходят изменения, приводящие к разупрочнению участков соединения. Независимо от способа сварки и исходного состояния металла в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зерен. Ширина этой зоны меняется в зависимости от режимов сварки.

Значения микротвердости в шве и зоне термического влияния при лазерной сварке существенно, на 20-25%, выше, чем при АрДС. Зона разупрочнения при лазерной сварке практически отсутствует, в то время как при АрДС она распространяется на расстояние до 1,0-1,2 мм от зоны сплавления и снижение микротвердости в ней по отношению к основному металлу составляет 13-14%. Твердость участков околошовной зоны при сварке нагартованного материала снижается по отношению к основному металлу. Однако участок разупрочнения по протяженности при лазерной сварке в 3-4 раза меньше, чем при дуговой. Изменение микротвердости поперечного сечения сварного соединения показано на рис.7.

Предел прочности сварных соединений составляет не менее 0,8-0,9 от прочности основного металла. Разрушение соединений, сваренных без присадки, происходит преимущественно по шву, а сваренных с присадкой — по переходной зоне. На механические свойства сварных соединений в сравнении с основным металлом влияет испарение легирующих элементов из сварочной ванны, особенно летучих, таких как магний, литий, цинк и др. Снижение процентного содержания этих элементов в шве после сварки достигает от 1,0 до 1,5%.

Использование оптимальных режимов лазерной сварки алюминиевых сплавов, особенно в диапазоне скоростей выше 1,5-2,5 м/мин, позволяет существенно снизить деформации деталей. Как показали исследования поперечной усадки сварных соединений, эта величина в 5-6 раз меньше, чем при автоматической аргонно-дуговой сварке.

Проведенные исследования позволяют сделать заключение о том, что лазерная сварка широкой номенклатуры алюминиевых сплавов позволяет получить качественные сварные соединения. Соединения, полученные излучением СО2- и волоконного лазера, практически не отличаются по внешнему виду и по макроструктуре, однако погонная энергия, необходимая для полного проплавления волоконным лазером, на 30% ниже, чем при сварке СО2-лазером. Объем расплавленного металла при лазерной сварке меньше, чем при аргонно-дуговой. Для устранения занижений шва, увеличения допустимого сборочного зазора и повышения механических свойств необходимо использовать присадочную проволоку. Лазерная сварка обеспечивает минимальную зону разупрочнения при соединении термообработанных алюминиевых сплавов и меньшие деформации сварных соединений.

Литература
1. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы — перспективный материал в машиностроении. — Машиностроение и инженерное образование, 2004, №1.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. -М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2008.
3. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. — М.: Машиностроение, 1972.
4. Курков А.С. и др. Высокоэффективный волоконный лазер с накачкой в оболочку на основе иттербиевого световода и волоконной брэговской решетки. — Квантовая электроника, 1999, №3.

Лучшие алюминиевые сплавы для сварки

Когда дело доходит до сварки, выбор правильного материала является одним из важнейших факторов для производителя. Это особенно актуально, когда вы работаете с алюминием. Имея так много сплавов на выбор, а также такую ​​универсальность и адаптируемость, очень важно провести исследование и найти тот, который лучше всего подходит для работы.

Сварщики, привыкшие работать со сталью, часто удивляются тому, как алюминий по-разному реагирует на тепло.В то время как сталь может сохранять такую ​​же прочность после сварки, почти в каждом случае сварные швы алюминия будут слабее, чем основной материал.

Основы сварки алюминия

Первый фактор, о котором сварщик должен знать при работе с алюминием, — это то, что не каждый сплав можно даже сваривать с использованием методов газовой вольфрамовой дуговой сварки (GTAW) или газовой дуговой сварки (GMAW). Краткий обзор различных алюминиевых сплавов показывает их различные характеристики:

• Сплавы 1ХХХ. Этот класс сплавов наиболее близок к чистому алюминию. Они обычно используются для проведения электрического тока и коррозионной стойкости. Сплавы 1XXX легко свариваются и обычно используются с присадочным металлом 1100.
• 2ХХХ сплавы. Сплавы 2ХХХ очень прочные. Они обычно используются в аэрокосмической промышленности и выпускаются в виде листов или пластин. По большей части они не поддаются сварке, поскольку обычно растрескиваются при высоких температурах. Однако два сплава, в частности, 2219 и 2519, можно успешно сваривать с присадочным металлом 2319 или 4043.
• 3ХХХ сплавы. Этот класс сплавов средней прочности и, как известно, очень пластичен. Обычно применяется в теплообменниках и кондиционерах. Эти сплавы очень хорошо подходят для сварки и используются в сочетании с присадочным металлом 4043 или 5356.
• 4ХХХ сплавы. Это свариваемое семейство сплавов чаще всего используется в качестве присадочного материала, но их также можно использовать в качестве основных металлов. В этих случаях используется присадочный металл 4043.
• Сплавы 5ХХХ. Эти сплавы выпускаются в виде очень прочных листов и пластин. Их можно легко сваривать с присадочным металлом 5356, 5183 или 5556.
• 6ХХХ сплавы. Чаще всего эти сплавы используются при экструзии, но они также выпускаются в виде листов и пластин. Они имеют тенденцию легко трескаться при высоких температурах, но при использовании с присадочным металлом 4043 или 5356 их можно использовать при сварке.
• Сплавы 7ХХХ. Это семейство сплавов также обычно используется в аэрокосмической промышленности.Обычно они не используются при сварке из-за проблем с растрескиванием и коррозией. Есть три исключения: сплавы 7003, 7005 и 7039 могут успешно свариваться с присадочным металлом 5356.

Почему можно сваривать только некоторые алюминиевые сплавы?

Важно понимать, что алюминиевые сплавы делятся на две категории: термически обрабатываемые и нетермообрабатываемые. Сплавы, не подвергающиеся термической обработке, упрочняются с помощью метода, известного как холодная обработка, при котором металл изменяется, чтобы сделать его прочнее.Следовательно, это работает только тогда, когда вы начинаете с закаленного металла 0.

С другой стороны, термически обрабатываемый алюминий был обработан при температуре 400 ° F. Естественно, в процессе сварки металл нагревается до гораздо более высоких температур, чем 400 ° F, что означает, что сплав потеряет некоторые из своих механических свойств. Если после сварки не будет проводиться послеварочная обработка, то зона сварки станет на 40% слабее. Следовательно, если оператор не выполняет термообработку после сварки после сварки, область вокруг сварного шва станет значительно слабее, чем остальной алюминий.

Как правильно выбрать сплав для вашего приложения?

При выборе сплава для сварки алюминий предлагает множество вариантов. Семейства свариваемых сплавов непосредственно отливаются в окончательную форму, то есть их свойства зависят от состава сплава, а не от производственного процесса. Их можно более экономично развернуть в изделиях различных форм и размеров, и, хотя они не будут обладать такой же прочностью, как прокатанные сплавы, такие как серия 7XXX, они стоят вдвое дешевле, что делает их идеальными для производства прототипов. .

Как упоминалось ранее, сплавы серии 7000 обычно используются в высокопроизводительных приложениях в авиакосмической промышленности, производстве бронетехники и спортивного оборудования. Сплавы серии 2000 также часто используются в самолетостроении и авиакосмической отрасли. Поскольку сплавы серии 5000 легче свариваются, они регулярно используются в конструкциях, включая мосты, корабли, здания и кузова транспортных средств. Сплавы серии 6000 наиболее легко поддаются экструзии, поэтому, помимо сварки, они будут регулярно использоваться в экструдированных формах.

Что насчет сварочной проволоки?

При сварке алюминия каждый сплав должен использоваться с соответствующей сварочной проволокой. Свойства проволоки должны соответствовать свойствам конкретного сплава, с которым она будет свариваться. Сварочная проволока также должна иметь температуру плавления, аналогичную температуре плавления основного материала, чтобы быть эффективной. Например, необходимо учитывать, чтобы концентрация магния в сплаве соответствовала концентрации магния в присадочном сплаве. Динамический химический состав сварочной проволоки должен быть аналогичен основному сплаву, чтобы обеспечить максимальную эффективность и снизить сварочную деформацию.

Одна из распространенных проблем, с которой сталкиваются производители, — это ремонт производственных форм, изготовленных из сплавов серии 7000, из-за их подверженности тепловому растрескиванию или коррозии под напряжением. Однако бывают исключения. Экструзионные сплавы 7003 и 7005 и пластинчатый сплав 7039 можно сваривать сварочной проволокой 5356 или 2319. В обоих случаях получаются сварные швы без пористости, которые соответствуют целостности основного сплава.

Из-за более низкой стоимости и большей универсальности алюминиевые сплавы имеют много преимуществ по сравнению с другими материалами при использовании в производственном процессе.Однако выбор правильного сплава имеет решающее значение. Если вы ищете специально свариваемые материалы или хотите иметь возможность быстро и легко ремонтировать материалы в процессе производства, знание того, какие алюминиевые сплавы лучше всего подходят для сварки, упростит вашу работу.

Ресурсов:

http://www.moldmakingtechnology.com/articles/aluminium-welding

Свариваемость алюминиевых сплавов | Металл Пресс от onlinemetals.com

Алюминиевые сплавы

Чистый алюминий — относительно мягкий металл. Но в сочетании с легирующими элементами он может обеспечивать широкий диапазон механических свойств. Эти сплавы делятся на семейства в соответствии с основными легирующими элементами с четырехзначной системой идентификации. Вот обзор распространенных семейств алюминиевых сплавов и их характеристик свариваемости вместе с обычными присадочными металлами:

1000 сплавов:

Практически чистый алюминий, на 99% с микроэлементами, составляющими остальное.Это семейство используется для передачи электрического тока или для защиты от коррозии в определенных средах. Алюминиевые сплавы серии 1000 легко свариваются с присадочным металлом 1100.

2000 сплавов:

Это семейство высокопрочных аэрокосмических сплавов. Они чрезвычайно чувствительны к образованию горячих трещин и являются наименее свариваемыми алюминиевыми сплавами. В частности, 2024 — наименее свариваемый. Но есть пара исключений, 2219 и 2519, которые легко свариваются с присадочным металлом 2319 или 4043.

3000 сплавов:

Коллекция алюминиевых сплавов средней прочности. Они очень пластичны и часто используются в теплообменниках и кондиционерах. Алюминиевые сплавы серии 3000 легко свариваются с присадочным металлом 4043 или 5356.

4000 сплавов:

Обычно они используются в качестве присадочных сплавов для сварки или пайки, а не в качестве основных материалов. Однако, когда они используются в качестве основных материалов, алюминиевые сплавы серии 4000 легко свариваются с присадочным металлом 4043.

5000 сплавов:

Семейство высокопрочных листовых и пластинчатых сплавов. Алюминиевые сплавы серии 5000 легко свариваются с присадочным металлом 5356. Однако с более прочными сплавами, такими как 5083, 5183 или 5556, следует использовать присадочные металлы.

6000 сплавов:

Алюминиевые сплавы серии

6000 сложно сваривать, потому что они склонны к растрескиванию. Однако при правильной технике их можно легко сварить с использованием присадочных металлов 4043 или 5356.

7000 сплавов:

Еще одна группа высокопрочных аэрокосмических сплавов.Эти сплавы в основном несвариваются из-за их склонности к горячему растрескиванию и коррозии под напряжением. 7075 особенно уязвим. Исключение составляют 7003, 7005 и 7039, которые легко свариваются с присадкой 5356. Сплавы могут быть дополнительно классифицированы в зависимости от того, являются ли они нетермообрабатываемыми или термообрабатываемыми сплавами.

Что такое несвариваемые алюминиевые сплавы?

Что такое несвариваемые алюминиевые сплавы?

Q — Иногда я слышал, что некоторые алюминиевые сплавы упоминаются как несвариваемые.Что это значит? Существуют ли такие алюминиевые сплавы, и если да, то что делает их несвариваемыми?

A — Я начну с того, что скажу, что большинство сплавов на основе алюминия можно успешно сваривать дуговой сваркой при использовании правильных процедур сварки. Однако да, есть некоторые сплавы на основе алюминия, которые иногда называют несвариваемыми. Эти группы сплавов, которые мы обсудим далее, обычно хорошо известны как непригодные для дуговой сварки, и по этой причине их соединяют механически с помощью заклепок или болтов.Прежде чем мы начнем исследовать различные причины плохой свариваемости этих сплавов, мы должны начать с рассмотрения термина «несвариваемые». Это нестандартный термин, который иногда используется для описания алюминиевых сплавов, которые трудно поддаются дуговой сварке без возникновения проблем во время и / или после сварки. Эти проблемы обычно связаны с растрескиванием, чаще всего горячим, а иногда и коррозионным растрескиванием под напряжением (SCC).

Когда мы рассматриваем алюминиевые сплавы, которые попадают в эту категорию трудно свариваемых, мы можем разделить их на разные группы.

Сначала мы рассмотрим небольшой набор алюминиевых сплавов, которые были разработаны для обрабатываемости, а не свариваемости. Сплавы, такие как 2011 и 6262, которые содержат 0,20-0,6 Bi, 0,20-0,6 Pb и 0,40-0,7 Bi, 0,40-7,7 Pb соответственно. Добавление этих элементов (висмута и свинца) к этим материалам в значительной степени способствует образованию стружки в этих сплавах без механической обработки. Однако из-за низких температур затвердевания этих элементов они могут серьезно снизить возможность успешного выполнения прочных сварных швов в этих материалах.

Существует ряд алюминиевых сплавов, которые весьма чувствительны к горячему растрескиванию при дуговой сварке. Эти сплавы обычно являются термообрабатываемыми сплавами и чаще всего встречаются в группах материалов серии 2xxx (Al-Cu) и серии 7xxx (Al-Zn).

Чтобы понять, почему некоторые из этих сплавов непригодны для дуговой сварки (несвариваемые), нам необходимо рассмотреть причины, по которым некоторые алюминиевые сплавы могут быть более восприимчивыми к горячему растрескиванию.

Горячее растрескивание или растрескивание при затвердевании возникает в алюминиевых сварных швах, когда присутствуют высокие уровни термического напряжения и усадка при затвердевании, когда сварной шов подвергается различной степени затвердевания.На чувствительность любого алюминиевого сплава к горячему растрескиванию влияет сочетание механических, термических и металлургических факторов.

Был разработан ряд высокоэффективных термически обрабатываемых алюминиевых сплавов путем комбинирования различных легирующих элементов с целью улучшения механических свойств материалов. В некоторых случаях комбинация требуемых легирующих элементов позволила получить материалы с высокой чувствительностью к образованию горячих трещин.

Диапазон когерентности

Возможно, наиболее важным фактором, влияющим на чувствительность алюминиевых сварных швов к горячим трещинам, является температурный диапазон когерентности дендритов, а также тип и количество жидкости, доступной во время процесса замораживания.Когерентность — это когда дендриты начинают сцепляться друг с другом до такой степени, что расплавленный материал начинает образовывать мягкую стадию.

Диапазон когерентности — это температура между образованием когерентных взаимосвязанных дендритов и температурой солидуса. Это можно назвать мягким интервалом во время затвердевания. Чем шире диапазон когерентности, тем более вероятно возникновение горячего растрескивания из-за накапливающейся деформации затвердевания между взаимосвязанными дендритами.

Сплавы серии 2ххх (Al-Cu)

Чувствительность к образованию горячих трещин в сплавах Al-Cu увеличивается по мере добавления Cu примерно до 3% Cu, а затем снижается до относительно низкого уровня при 4,5% Cu и выше. Сплав 2219 с 6,3% Cu показывает хорошее сопротивление горячему растрескиванию из-за относительно узкого диапазона когерентности. Сплав 2024 содержит примерно 4,5% меди, что может изначально побудить нас предположить, что он будет иметь относительно низкую чувствительность к образованию трещин. Однако сплав 2024 также содержит небольшое количество магния (Mg).Небольшое количество Mg в этом сплаве снижает температуру солидуса, но не влияет на температуру когерентности; следовательно, диапазон когерентности расширяется, а склонность к горячему растрескиванию увеличивается. Проблема, которую следует учитывать при сварке 2024, заключается в том, что тепло операции сварки позволит сегрегацию легирующих компонентов на границах зерен, а присутствие Mg, как указано выше, снизит температуру солидуса. Поскольку эти легирующие компоненты имеют более низкие фазы плавления, напряжение затвердевания может вызвать растрескивание на границах зерен и / или создать условия внутри материала, способствующие коррозионному растрескиванию под напряжением позже.Высокое тепловложение во время сварки, повторяющиеся проходы сварного шва и большие размеры сварных швов — все это может увеличить проблему сегрегации границ зерен (сегрегация зависит от температуры и времени) и последующей тенденции к растрескиванию.

Сплавы серии 7xxx (Al-Zn)

Серию сплавов 7ххх также можно разделить на две группы по свариваемости. Это типы Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.

Сплавы Al-Zn-Mg , такие как 7005, лучше сопротивляются горячему растрескиванию и демонстрируют лучшие характеристики соединения, чем сплавы Al-Zn-Mg-Cu, такие как 7075.Содержание Mg в сплавах этой группы (Al-Zn-Mg) обычно увеличивает чувствительность к растрескиванию. Однако Zr добавляется для уменьшения размера зерна, и это эффективно снижает тенденцию к растрескиванию. Эта группа сплавов легко сваривается с присадочными сплавами с высоким содержанием магния, такими как 5356, что гарантирует, что сварной шов содержит достаточно магния для предотвращения растрескивания. Присадочные сплавы на основе кремния, такие как 4043, обычно не рекомендуются для этих сплавов, поскольку избыток Si, вводимый присадочным сплавом, может привести к образованию чрезмерного количества хрупких частиц Mg2Si в сварном шве.

Сплавы Al-Zn-Mg-Cu , такие как 7075, содержат небольшое количество меди. Небольшие количества Cu вместе с Mg расширяют диапазон когерентности и, следовательно, повышают чувствительность к трещинам. Подобная ситуация может возникнуть с этими материалами, как и со сплавами типа 2024. Напряжение затвердевания может вызвать растрескивание на границах зерен и / или создать условия внутри материала, способствующие коррозионному растрескиванию под напряжением позже.

Будьте в курсе:

Следует подчеркнуть, что проблема повышенной подверженности горячему растрескиванию из-за увеличения диапазона когерентности не ограничивается только сваркой этих более восприимчивых основных сплавов, таких как 2024 и 7075.Чувствительность к образованию трещин может быть существенно увеличена при сварке несовместимых разнородных основных сплавов (которые обычно легко свариваются сами с собой) и / или путем выбора несовместимого присадочного сплава. Например, путем соединения идеально свариваемого основного сплава серии 2xxx с идеально свариваемым основным сплавом серии 5xxx или с помощью присадочного сплава серии 5xxx для сварки основного сплава серии 2xxx или присадочного сплава серии 2xxx на базовом сплаве серии 5xxx, мы можем создать такой же сценарий. Если мы смешаем высокое содержание Cu и высокое содержание Mg, мы сможем расширить диапазон когерентности и, следовательно, увеличить чувствительность к трещинам.

Распространенных ошибок при проектировании алюминия

Предпосылки
Как правило, проектировщики металлических конструкций научились проектировать из стали. Однако при проектировании с использованием алюминия инженер не должен основывать проект на предшествующем опыте работы со сталью или любым другим материалом. Выбор сплава, правильная конструкция соединения и выбор оптимального процесса сварки могут зависеть от основного материала. Хотя алюминий, очевидно, подчиняется тем же законам механики, что и все другие материалы, при сварке к нему следует подходить иначе, чем к стали.Алюминиевые конструкции не обязательно сложнее спроектировать или сварить, чем стальные, они просто разные.

Не выбирайте только самый прочный сплав
Алюминий часто выбирают в качестве конструкционного материала для приложений, в которых важна экономия веса. Очень часто дизайнер выбирает самый прочный из имеющихся сплавов. Это плохая практика проектирования по нескольким причинам. Во-первых, критическим ограничением конструкции для многих конструкций часто является прогиб, а не прочность.В таких случаях модуль упругости, а не свойства при растяжении, будет определять конструкцию. Модуль большинства алюминиевых сплавов, как слабых, так и сильных, примерно одинаков (одна треть модуля упругости стали), поэтому использование самого прочного сплава не дает никаких преимуществ. Во-вторых, что наиболее важно, многие из самых прочных алюминиевых сплавов не поддаются сварке с использованием обычных технологий.

Когда мы говорим о том, что алюминиевые сплавы «свариваемы» или «несвариваемы», мы обычно имеем в виду способность сплава свариваться без образования горячих трещин.Сплавы, которые чрезвычайно подвержены горячему растрескиванию, не считаются подходящими для конструкционных (несущих) применений и обычно относятся к категории несвариваемых. Горячее растрескивание алюминиевых сплавов в первую очередь связано с химическим составом сплава и сварного шва. Практически для каждой легирующей добавки чувствительность к растрескиванию изменяется по мере увеличения содержания сплава, как показано на Рисунке 1. Свариваемые сплавы имеют состав, который либо значительно выше, либо намного ниже максимальной чувствительности к растрескиванию.В некоторых случаях, таких как 6061, который очень чувствителен к трещинам при сварке без присадочного материала, чувствительность к растрескиванию шва может быть снижена до приемлемого уровня с добавлением присадочного металла с высоким содержанием кремния или магния. Дополнительный кремний или магний толкает затвердевающий металл шва ниже уровня чувствительности к растрескиванию. В других сплавах, таких как 7075, невозможно создать присадочный сплав для сварных швов, обеспечивающий стойкость к образованию трещин. Они считаются несвариваемыми.

Рисунок 1

Сплавы делятся на две группы: термически обрабатываемые сплавы и нетермообрабатываемые сплавы. Для каждого из них также дана относительная оценка свариваемости.

Сплавы, не подвергающиеся термообработке, включают в себя сплавы серий 1XXX, 3XXX, 4XXX и 5XXX. Упрочнение этих сплавов термической обработкой невозможно. Их можно упрочнить только холодной обработкой (также называемой деформационным упрочнением). Сплавы 1ХХХ, такие как 1100, 1188 или 1350, по существу представляют собой чистый алюминий (чистота 99 +%).Они относительно мягкие и непрочные, с хорошей коррозионной стойкостью и обычно используются там, где требуется высокая электрическая проводимость, например, для шин или в качестве электрических проводников. Они также используются в определенных областях, где требуется высокая степень устойчивости к коррозии. Все эти сплавы легко свариваются.

Сплавы серии 3ХХХ имеют различные уровни марганца (Mn), добавленного для их усиления и улучшения их реакции на холодную обработку. Они обладают средней прочностью, хорошей коррозионной стойкостью и легко поддаются сварке.Они используются для систем кондиционирования и охлаждения, отделки неструктурных зданий и других применений.

Сплавы серии 4ХХХ содержат кремний (Si) в качестве легирующего элемента для снижения температуры плавления и повышения их текучести в расплавленном состоянии. Эти сплавы используются для сварки и пайки присадочных материалов, а также для литья в песок и под давлением. Из всех алюминиевых сплавов они наименее чувствительны к трещинам.

В сплавы серии 5ХХХ добавлен магний (Mg) для повышения их прочности и способности к деформационному упрочнению.Как правило, они очень устойчивы к коррозии и обладают наивысшей прочностью среди всех нетермообрабатываемых сплавов. Увеличение содержания магния в этих сплавах приводит к повышению уровня прочности. Эти сплавы обычно доступны в форме листов, пластин и полос и являются наиболее распространенными конструкционными алюминиевыми сплавами. Как правило, они недоступны в виде экструдированных секций, потому что экструзия из них дорогая. В большинстве случаев они легко поддаются сварке с присадочным металлом или без него. Однако пик растрескивания Al-Mg составляет примерно 2.5% Mg, поэтому следует соблюдать осторожность при сварке сплавов, таких как 5052. Он не должен свариваться автогенно (то есть без добавления присадочного металла). Для снижения чувствительности к образованию трещин следует использовать присадочный металл с высоким содержанием магния, например 5356.

Термообрабатываемые сплавы относятся к семействам сплавов 2XXX, 6XXX и 7XXX. Семейство сплавов 2XXX — это высокопрочные сплавы Al-Cu, используемые в основном для аэрокосмической промышленности. В некоторых средах они могут проявлять плохую коррозионную стойкость. Как правило, большинство сплавов этой серии считаются несвариваемыми.Ярким примером несвариваемого сплава в этой серии, который привлекает дизайнеров из-за его высокой прочности, является сплав 2024. Этот сплав обычно используется в планерах, где его почти всегда склепывают. Он чрезвычайно чувствителен к трещинам, и его практически невозможно успешно сварить стандартными методами.

Свариваются только два обычных конструкционных сплава в серии 2XXX: 2219 и 2519. Сплав 2219 очень легко сваривается и подвергался обширной сварке при изготовлении внешних резервуаров для U.С. космический шаттл. Этот сплав обладает хорошей свариваемостью благодаря более высокому содержанию меди, примерно 6%. Близкий к нему сплав, который также хорошо сваривается, — это 2519. Он был разработан для производства бронетехники. Хотя есть подробные исключения из этого правила, проектировщику, вероятно, следует рассматривать все другие сплавы серии 2XXX как несвариваемые.

Сплавы серии 6ХХХ — это сплавы, которые, вероятно, наиболее часто встречаются при строительных работах. Они относительно прочные (хотя и не такие сильные, как серии 2XXX или 7XXX) и обладают хорошей коррозионной стойкостью.Чаще всего они поставляются в виде профилей. Фактически, если разработчик указывает форму экструдера, она почти наверняка будет поставляться в виде сплава 6ХХХ. Сплавы 6ХХХ также могут поставляться в виде листов, пластин и прутков и являются наиболее распространенными конструкционными сплавами, поддающимися термической обработке. Хотя все сплавы этой серии склонны к растрескиванию, все они считаются свариваемыми и, по сути, свариваются каждый день. Тем не менее, необходимо использовать правильный присадочный металл, чтобы исключить растрескивание. Кроме того, эти сплавы обычно растрескиваются, если их сваривать без или с недостаточным количеством присадочного металла.

Сплавы 7XXX — это сплавы, которые обычно сбивают с толку дизайнеров. Это очень высокопрочные сплавы Al-Zn или Al-Zn-Mg-Cu, которые часто используются в аэрокосмической промышленности и поставляются в виде листов, пластин, поковок и прутков, а также прессованных изделий. За некоторыми исключениями, указанными ниже, проектировщик должен исходить из того, что сплавы 7ХХХ не поддаются сварке. Самый распространенный из этих сплавов — 7075, который никогда не следует сваривать в конструкционных целях. Кроме того, эти сплавы часто страдают от плохой коррозии во многих средах.

Некоторые модели серии 7XXX не подчиняются общему правилу и пригодны для сварки. Это сплавы 7003 и 7005, которые часто представляют собой экструзии, и 7039, которые чаще всего представляют собой листы или пластины. Сегодня эти сплавы широко используются в рамах велосипедов и бейсбольных битах, которые являются сварными. Эти сплавы легко свариваются и иногда могут иметь преимущества в прочности в состоянии после сварки по сравнению со сплавами 6ХХХ и 5ХХХ.

Есть еще одно исключение из общего правила, что сплавы 2ХХХ и 7ХХХ несвариваются.Существует ряд толстых литых и / или деформируемых листовых сплавов, предназначенных для использования в качестве материала пресс-форм для литья под давлением. Эти сплавы, в том числе Alca Plus, Alca Max и QC-7, по химическому составу очень близки к 7075 или 2618. Разработчик должен абсолютно избегать конструкционных сварных швов на этих сплавах. Однако сварка этих сплавов часто выполняется для исправления ошибок обработки, эрозии штампа и т.д.

В этом обсуждении пытались выделить несколько моментов:

Во-первых, при проектировании конструкции любого типа не просматривайте ближайший список алюминиевых сплавов и выбирайте самый прочный
Помните, что некоторые сплавы, часто более прочные, не поддаются сварке. Убедитесь, что выбранный сплав легко сваривается
Помните, что некоторые сплавы или семейства сплавов более подходят для некоторых применений, чем другие.

Еще одно предостережение: при сварке алюминия проектировщик не должен предполагать, что свойства исходного материала и свойства сварного шва эквивалентны.

Посмотреть продукты Lincoln Electric для сварки алюминия MIG и TIG

Почему сварной шов не такой прочный, как исходный основной металл?
Проектировщик стальных конструкций обычно предполагает, что сварной шов такой же прочный, как и основной материал, а инженер-сварщик, ответственный за изготовление конструкции, рассчитывает сделать сварной шов такой же прочности, как и используемая сталь. Было бы заманчиво предположить, что такая же ситуация при проектировании и изготовлении алюминиевых конструкций, но это не так.В большинстве случаев сварной шов в алюминиевом сплаве слабее, часто в значительной степени, чем сварной шов.

Сплавы без термической обработки
Сплавы этой категории (например, семейства 1XXX, 3XXX, 4XXX и 5XXX) производятся с помощью процесса холодной обработки: прокатки, волочения и т. Д. После процесса холодной обработки сплаву присваивается статус F (как -фабрично). Затем сплавы часто подвергаются последующей термообработке с отжигом, после чего их классифицируют как состояние O (отжиг).Многие сплавы продаются именно в таком состоянии. Таким образом, правильное обозначение для пластины из 5083, которая была отожжена после прокатки, — это 5083 — O. Одним из привлекательных свойств этих сплавов является то, что их прочность может быть значительно увеличена, если они подвергаются холодной обработке после отжига. На рисунке 2 показано, что происходит с несколькими сплавами при различной степени холодной обработки. Например, у сплава 5086 предел текучести повышается с примерно 18 фунтов на квадратный дюйм (125 МПа) до 40 фунтов на квадратный дюйм (275 МПа), и теперь говорят, что он подвергся деформационному упрочнению.Полное обозначение этого сплава — 5056-х46. Обозначение типа H может быть несколько сложным, поскольку оно используется для обозначения ряда переменных обработки. Однако последняя цифра обозначает уровень холодной обработки сплава, а 9 — самый высокий.

Рисунок 2

Распространенная ошибка при проектировании сварных конструкций из нетермообрабатываемых сплавов — смотреть вниз по списку свойств, не принимать во внимание материал с закалкой O и выбирать сплав с наивысшим состоянием, потому что он значительно прочнее.Казалось бы, это имеет смысл, но часто это не так, потому что тепло сварки действует как локальная операция отжига, значительно ослабляя зону термического влияния (HAZ) сварного шва. Если построить график зависимости текучести или растягивающего напряжения от расстояния до сварного шва, получится кривая, подобная показанной на рисунке 3. Если расчет основан на свойствах деформационного упрочнения, допустимое расчетное напряжение обычно будет выше фактического предела текучести в ЗТВ. Хотя это может показаться нелогичным, но факт заключается в следующем: независимо от того, с какого состояния исходят, свойства в ЗТВ будут такими же, как у материала, отожженного с О-отпуском, из-за операции сварки.Следовательно, конструкция должна основываться на свойствах после отжига, а не на свойствах деформационного упрочнения. Из-за этого обычно нет смысла покупать более дорогие упрочненные деформации для сварных конструкций. При проектировании следует указать сплав в состоянии O и калибровке по мере необходимости.

Рисунок 3

Возникает очевидный вопрос: можно ли что-нибудь сделать для восстановления свойств материала после сварки деформационно-упрочненного материала.К сожалению, ответ почти всегда отрицательный. Единственный способ упрочнить эти материалы — это механическая деформация, а для сварных конструкций это практически непрактично.

Термообрабатываемые сплавы
Несколько иная ситуация при сварке термообрабатываемых сплавов. Для термообработки сплавов сначала нагревают материал примерно до 1000 ° F (540 ° C), выдерживают температуру в течение короткого времени, а затем закалывают в воде.Эта операция предназначена для растворения всех легирующих добавок в растворе и удержания их там при комнатной температуре. Утверждается, что сплавы в этом состоянии находятся в состоянии T4 и имеют значительно более высокую прочность, чем тот же сплав в состоянии O. В зависимости от сплава «естественное старение» при комнатной температуре может со временем привести к дальнейшему увеличению прочности. Это происходит в течение нескольких дней или, самое большее, нескольких недель. После этого свойства останутся стабильными на протяжении десятилетий. Если кто-то покупает материал T4, он стабилен, и его свойства не изменятся в течение всего срока службы.

Однако большинство сплавов подвергаются дополнительной термообработке для получения наивысших механических свойств. Эта термообработка заключается в выдержке материала при температуре примерно 400 ° F (205 ° C) в течение нескольких часов. В течение этого времени легирующие добавки, растворенные в ходе предшествующей термообработки, контролируемым образом осаждаются, что усиливает сплав. Материал в этом состоянии обозначается как состояние T6 (искусственно состаренное), наиболее распространенное состояние сплава после термообработки.

Опять же, полная система обозначений состояния на самом деле намного сложнее, чем эта, но понимание состояний температуры T4 и T6 поможет преодолеть некоторые из наиболее распространенных ошибок, которые допускаются при проектировании сварных алюминиевых деталей.Важно отметить, что термически обрабатываемые сплавы также могут подвергаться деформационному упрочнению после термообработки, и это может еще больше усложнить обозначение состояния.

Помните, что обработка старением проводится при температуре примерно 400 ° F (205 ° C). При любом процессе дуговой сварки зона термического влияния становится намного выше. Следовательно, сварка представляет собой дополнительную термообработку ЗТВ. Некоторые сплавы подвергаются дополнительной термообработке на твердый раствор, в то время как другие сплавы изнашиваются в ЗТВ. Это приводит к ухудшению свойств материала, особенно если сравнивать свойства после сварки со свойствами T6.Например, минимальный предел прочности на разрыв в ASTM B209 для 6061 — T6 составляет 40 тысяч фунтов на квадратный дюйм (275 МПа). Для большинства производственных норм требуется минимальная прочность на растяжение после сварки 24 ksi (165 МПа), что является значительным ухудшением.

Как и при проектировании нетермообрабатываемых сплавов, проектировщик не должен использовать свойства основного материала при проектировании. Необходимо использовать реалистичные свойства после сварки. Обобщить, что это за свойства, сложно. Они меняются от сплава к сплаву и сильно зависят от начального состояния сплава.Большинство проектных норм содержат свойства алюминиевых сплавов в состоянии после сварки, и их следует использовать.

Однако для термообрабатываемых сплавов есть несколько способов восстановить некоторые свойства материала исходного материала. На рисунке 4 показан график зависимости напряжения растяжения от расстояния от сварного шва для 6061, демонстрирующий кривые для материала T4 и T6 как в состоянии после сварки (AW), так и после старения после сварки (PWA). Состояние PWA представляет собой сварной шов, который впоследствии подвергается старению в течение одного часа при температуре примерно 400 ° F (205 ° C).Старение после сварки улучшает механические свойства исходных материалов Т4 и Т6. На самом деле, часто лучше выполнять сварку в состоянии T4 и выполнять последующую сварку после процесса сварки.

Рисунок 4

Остается обсудить еще одну последнюю альтернативу. Если после сварки конструкция подвергается полной термообработке (т.е. обработка раствором при 1000 ° F [540 ° C], закалка, старение при 400 ° F [205 ° C]), все свойства материала (даже в сварной шов) будет восстановлен, и будут получены свойства T6.Эта практика часто применяется к небольшим конструкциям, таким как велосипедные рамы, но непрактична для более крупных конструкций. Кроме того, закалка обычно вызывает настолько сильное искажение структуры, что перед старением необходима операция правки.

Выводы
При проектировании сварных алюминиевых конструкций слишком часто не учитываются различия между сталью и алюминием. Напомним, распространенные ошибки включают:

Не все алюминиевые сплавы поддаются сварке.В целом, наименее свариваемые сплавы являются также и самыми прочными сплавами
. Сварной шов редко бывает таким прочным, как основной материал
. ЗТВ будет иметь свойства после отжига при О-образном отпуске для нетермообрабатываемых сплавов независимо от состояния исходного материала
Для термообрабатываемых сплавов свойства после сварки будут значительно ниже, чем у сплава T6 с состоянием
. Послесварочная термообработка может помочь восстановить механические свойства сварных швов термообрабатываемых сплавов

Показать больше Статьи с практическими рекомендациями по сварке алюминия

Просмотр Статьи о процессах и теории алюминия

Введение в лазерную сварку алюминиевых сплавов

Алюминий (Al) (или алюминий для многих наших друзей по всему миру) и его сплавы сегодня являются наиболее широко используемыми цветными металлами.Вы найдете алюминий и его сплавы в самых разных отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность, спортивные товары, электроника и потребительская упаковка. Широкое и растущее использование алюминиевых сплавов является результатом его определяющих свойств, которые включают:

Плотность — алюминий — самый легкий из обычных металлов.

Электропроводность и теплопроводность.

Коррозионная стойкость.

Разнообразие сплавов (основные алюминиевые сплавы приведены в таблице ниже).

Простота изготовления.

Возможность повторного использования в течение неограниченного периода времени без потери каких-либо внутренних качеств.

Таблица: Обзор основных алюминиевых сплавов

Обозначение сплава	Описание / типичное применение	Основные проблемы лазерной сварки
Серия 1xxx (чистый Al)	Электротехнические, теплопроводные
Серия 2xxx (Al-Cu)	Аэрокосмическая промышленность	Растрескивание, пористость
Серия 3xxx (Al-Mn)	Посуда, емкости для химикатов	Некоторая пористость
Серия 5xxx (Al-Mg)	Автомобильная промышленность	Пористость; некоторое растрескивание в зависимости от содержания Mg
Серия 6xxx (Al-Mg-Si)	Аэрокосмическая и автомобильная промышленность	Пористость, растрескивание
Серия 7xxx (Al-Zn)	Автомобильная промышленность	В основном пористость из-за Zn
8xxx Серия (Al-Li)	Аэрокосмическая промышленность	Преимущественно пористость

Лазерная сварка широко используется для соединения алюминия и его сплавов.Однако алюминий представляет трудности при сварке из-за трех основных свойств: (1) теплопроводность, (2) отражательная способность поверхности для инфракрасного и ближнего инфракрасного лазерного излучения и (3) характеристики расплавленного сплава, включая низкую вязкость и летучесть при низкой температуре кипения. легирующие элементы (например, Mg, Zn). Эти и другие трудности, связанные с материалами, могут привести к проблемам, связанным с растрескиванием сварных швов и зон термического влияния, ухудшением механических свойств и нестабильными сварочными характеристиками.

Стыковой сварной шов без трещин и пористости толщиной 2 мм из алюминия 6061 и алюминия 5052. Небольшой подрез (вогнутость) верхнего валика можно устранить с помощью сварки с подходящим присадочным материалом, таким как проволока Al4043 или Al4047.

Конечно, это никоим образом не означает, что лазерная сварка не лучший выбор для соединения этих материалов. Напротив, это означает, что сварочные процессы должны разрабатываться с учетом этих факторов.Итак, как обеспечить надежный и надежный лазерный процесс при сварке алюминиевых сплавов?

При соответствующих процедурах сварки можно производить надежные и прочные лазерные процессы для сварки различных алюминиевых сплавов. Основные принципы этих процедур кратко изложены ниже.

• Стабильная сварка «замочная скважина» — мощные лазеры с хорошим качеством луча создают стабильную «замочную скважину» во время сварки.
• Очистите поверхность перед сваркой — основной причиной пористости является выделение газообразного водорода при затвердевании металла шва.Водород может происходить из смазочных материалов, влаги в атмосфере и поверхностных оксидов или присутствия водорода в исходном материале. Для большинства сплавов можно добиться качественных сварных швов, очистив поверхности перед сваркой и обеспечив соответствующую защиту сварочной ванны инертным газом.
• Добавление подходящей присадочной проволоки уменьшает растрескивание в сплавах, чувствительных к растрескиванию, таких как сплавы серий 2ххх и 6ххх. Улучшение достигается за счет присадочного материала, который обеспечивает усиление зоны сварного шва за счет устранения подрезов сверху или корневого валика.Присадочный материал также заменяет утраченные легирующие элементы и улучшает устойчивость к стыковке соединения.
• Модулированный выходной сигнал лазеров непрерывного действия также может помочь при растрескивании и пористости. Модуляция контролирует нагрев и охлаждение металла шва, что уменьшает диапазон замерзания металла шва и сводит к минимуму тенденцию к растрескиванию при затвердевании.

Завод Инжиниринг | Сварка алюминиевых сплавов

Фрэнк Дж. Армао, Lincoln Electric Co., Кливленд, Огайо 10 октября 2003 г.

Ключевые понятия При выборе присадочного металла необходимо знать состав обоих основных металлов, которые необходимо соединить. Два сплава удовлетворяют 80% потребности в присадочном металле. Неподходящие присадочные материалы могут стать причиной хрупкости сварных швов. Разделы: 80% заявок 20% заявок

Часто возникает вопрос: «Нет ли одного присадочного металла, который я мог бы использовать для всей сварки алюминия?» К сожалению, нет.Однако есть основные правила выбора присадочного металла.

Во-первых, узнайте, какие алюминиевые сплавы будут свариваться (рис. 1). Если все, что вам известно, это то, что у вас есть алюминий, этого недостаточно, чтобы выбрать присадочный металл. Как только станет известно, что алюминиевые сплавы будут соединять сплав A со сплавом B, существует ряд хороших таблиц для выбора присадочных металлов (см. Таблицу).

Выбор присадочного металла можно несколько упростить. Почти все алюминиевые присадочные материалы относятся к сериям алюминий-кремний 4ХХХ или алюминий-магний 5ХХХ.

В целом в Северной Америке 80% продаваемого алюминиевого присадочного металла производится всего из двух сплавов, 4043 и 5356. Кроме того, один из этих двух сплавов является правильным выбором для 80% применений.

80% заявок

Сплав 4043 очень хорошо подходит для соединения любых сплавов 6ХХХ, экструзионных / листовых / пластинчатых, таких как 6061 или 6063. Он также хорошо подходит для сварки большинства литейных сплавов и для сварки сплавов 6ХХХ с отливками. Однако 4043 не следует, за одним исключением, использовать для сварки сплавов 5ХХХ.

Сплав 4043 содержит 5% кремния (Si), а сплавы 5ХХХ содержат до 6% магния (Mg). При сварке сплавов 5ХХХ с 4043 образуется много интерметаллического соединения Mg ₂ Si, которое очень хрупко и может отрицательно повлиять на ударную вязкость и пластичность сварного шва.

А как насчет исключений? Обычный сплав 5052 содержит только 21/2% магния. Из-за низкого содержания магния его можно сваривать с использованием 4043.

.

Один раз 4043 не следует использовать для сварки сплавов 6ХХХ, когда материал будет анодирован после сварки.Если используется 4043, сварной шов будет анодироваться очень темного и неприятного цвета. В этом случае следует использовать 5356.

Сплав 5356 очень хорошо подходит для соединения сплавов 5ХХХ, 6ХХХ и 5ХХХ со сплавами 6ХХХ. Однако его никогда не следует использовать для сварки сплавов 2ХХХ или других сплавов, содержащих медь, таких как 6013 или 6111, потому что сварной шов очень вероятно потрескается.

И 4043, и 5356 хорошо подходят для сварки сплавов 6ХХХ. Какой выбрать? 5356 обеспечит сварные швы с более высокой прочностью на сдвиг и лучшей пластичностью, хотя сварные швы будут иметь больше черной сварочной копоти (рис.2). 4043 будет легче использовать сварщику, он будет наплавлять более красивый сварной шов и будет менее чувствительным к образованию трещин.

20% заявок

Присадочный сплав 2319 специально разработан для сварки сплавов 2219 и 2319.

Присадочный сплав 4643 специально разработан для термической обработки. При сварке компонента, который будет полностью термообработан (обработан раствором, закален и состарен) после сварки, чтобы восстановить свойства T6, рассмотрите возможность использования 4643. Это приведет к сварным швам 40 тысяч фунтов на квадратный дюйм после термообработки.

Сплавы 5XXX с содержанием магния выше 3% (5356 попадает в эту категорию) могут стать восприимчивыми к коррозионному растрескиванию под напряжением, если они подвергаются воздействию температур выше 150 F в течение длительных периодов времени. В этом случае следует использовать присадочный сплав с более низким содержанием магния, чем 5356.

Присадочный сплав 5554 был разработан специально для этой цели.

Многие стандарты сварки требуют, чтобы сварные швы из более прочных сплавов 5XXX, таких как 5083 или 5456, имели минимальный предел прочности на растяжение 40 тысяч фунтов на квадратный дюйм.Хотя сварка этих сплавов с использованием 5356 иногда соответствует этому требованию, образцы на растяжение часто не удовлетворяют этому требованию, выходя из строя при 38 или 39 тысячах фунтов на квадратный дюйм. Если возникают такие разрушения при растяжении, подумайте о переходе на присадочный сплав 5556 или 5183.

При сварке сплавов и / или отливок 6ХХХ, когда возникают проблемы с растрескиванием, в том числе кратерное растрескивание, подумайте о переходе на 4047. Присадочный сплав 4047 аналогичен 4043, но содержит 12% кремния, имеет более узкий диапазон плавления, чем 4043, и более устойчивый. к растрескиванию.

Часть направляющего стола присадочного металла

Примечания: Присадочные материалы указаны в табл. Рекомендации в этой таблице применимы к процессам дуговой сварки в защитных газах. %% POINT %% Сварка не рекомендуется
		6061
		6063
		6101
		6201
		6151
		6351			5154			5052	5005
Основной металл	6070	6951	5456	5454	5254	5086	5083	5652	5050
5005	4043	4043	5356	5654	5654	5356	5356	4043	4043
5050	4043	4043	5356	5654	5654	5356	5356	4043	4043
5052	5356	5356	5356	5654	5654	5356	5356	5654	%% ТОЧКА %%
5652	5356	5356	5356	5654	5654	5356	5356	5654	%% ТОЧКА %%
5083	5356	5356	5183	5356	5356	5356	5183	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
5086	5356	5356	5356	5356	5356	5356
5154	5356	5356	5356	5654	5654	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
5254	5356	5356	5356	5654	5654	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
5454	5356	5356	5356	5554	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
5456	5356	5356	5556	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6061	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6063	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6101	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6201	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6151	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6351	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6951	4043	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%
6070	4043	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%	%% ТОЧКА %%

Лазерная сварка алюминиевых сплавов AA5052, AA5083 и AA6061

Настоящее исследование в основном касалось характеристик автогенной лазерной стыковой сварки толщиной 2 мм без термической обработки AA5052-h22, AA5083-h22 и 2 мм, 3 мм толщина термообрабатываемых алюминиевых сплавов АА6061-Т6.Влияние параметров лазерной сварки, уточнены очистка поверхности, добавление присадочной проволоки и подкладки на качество лазерных сварных соединений. на лазерной установке мощностью 5 кВт. Установлено, что все исследованные сплавы проявляют склонность к пористости и образованию трещин при затвердевании, особенно при высокой скорости сварки (4 м / мин). Пористость предотвращалась тщательной очисткой основной металл перед сваркой и оптимизация расхода защитного газа аргона. Растрескивание при затвердевании удалось избежать с помощью двух разных подходов.Первый основан на добавлении присадочного металла. как сообщается в других исследовательских работах. Другой новый подход касается автогенного сварка с использованием подкладной ленты из того же основного металла, и это может быть применимо в производстве. Предотвращение растрескивания при затвердевании в обоих случаях было связано в основном со значительным снижением концентрация напряжений в центре металла шва в результате улучшения профиля зоны сплавления. Внедрение нового подхода может помочь в производстве сварных деталей более высокого качества за счет отсутствию присадочного металла, который известен как источник водородной пористости.Может также имеют положительный экономический аспект относительно стоимости производства, так как сварка выполняется без добавления присадочного металла. Не только качественные и экономические положительные аспекты могут быть достигнута, но также высокая производительность — еще одна особенность, поскольку высококачественные автогенные сварные детали были производится с высокой скоростью сварки, 6 м / мин. Измерения твердости и испытание на растяжение сварных швов из сплава AA6061 показали заметное разупрочнение зоны плавления из-за растворения упрочняющих выделений, которое было восстановлено обработкой старением после сварки.Для сплавов AA5052 и AA5083 разупрочнение зоны плавления за счет потеря деформационного упрочнения была значительно меньше по сравнению со сплавом АА6061.

1. Введение

Алюминиевые сплавы широко используются в различных промышленных приложениях, таких как резервуары, сосуды высокого давления, аэрокосмическая промышленность и транспортные средства из-за их высокой удельной прочности, теплопроводности и хороших свойств при низких температурах. Использование алюминиевых сплавов при обработке листового металла, особенно в автомобильной и транспортной отраслях, расширяется с постоянным стремлением к снижению веса и повышению эффективности [1].

Как дуговая сварка, так и электронно-лучевая сварка в основном использовались в качестве традиционных процессов сварки алюминиевых сплавов [2–4]. В течение последних двух десятилетий были разработаны значительные и улучшенные решения для сварки алюминиевых сплавов [5–8]. Хотя использование мощных лазеров для обработки нержавеющих сталей и легированных сталей широко изучается, исследования алюминиевых сплавов относительно ограничены. Предыдущие исследования показали, что пористость, чрезмерная потеря материала и растрескивание при затвердевании являются наиболее частыми проблемами, возникающими при лазерной сварке алюминиевых сплавов [9–12].

Еще одной серьезной проблемой является отражение падающего луча из-за плохой связи между алюминиевыми сплавами и лазерным лучом. Алюминиевые сплавы поглощают лазер более эффективно по мере уменьшения длины волны лазера. Сообщалось, что Nd: YAG-лазер с характеристической длиной волны 1,06 мкм обеспечивает лучшую связь с алюминием, чем лазер с характеристической длиной волны 10,6 мкм. Кроме того, поглощение лазерного луча резко возрастает, когда образуется замочная скважина из-за многократных отражений луча в замочной скважине [13].Таким образом, Nd: YAG-лазер кажется более привлекательным для сварки алюминиевых сплавов. Проблема высокой отражательной способности алюминиевых сплавов для лазерного луча исследовалась с целью использования имеющихся лазерных установок большей мощности [14].

В последнее время были предприняты огромные усилия для выяснения фундаментальных принципов лазерной свариваемости различных типов алюминиевых сплавов с использованием как Nd: YAG, так и лазеров [15–19]. Отмечается, что улучшение свариваемости с помощью лазера ряда алюминиевых сплавов возможно за счет увеличения плотности мощности сфокусированного пятна, и это может быть достигнуто за счет более высоких средних мощностей, улучшенной системы фокусировки луча и уменьшения отражательной способности луча на поверхности заготовки. .Проблема растрескивания при затвердевании алюминиевых сплавов, сваренных лазерной сваркой, была решена в основном за счет добавления присадочных металлов.

Однако эта область далека от завершения, и требуются дополнительные исследования, поскольку растет значительный интерес к применению лазерной сварки алюминиевых сплавов, особенно тех, которые используются в промышленности по обработке листового металла. Другими словами, лазерная сварка алюминиевых сплавов, хотя и исследуется на протяжении десятилетий, все же заслуживает дальнейшего изучения, поскольку некоторые проблемы еще не решены.Это связано со многими преимуществами лазерной сварки, включая низкое тепловложение, низкую деформацию, высокую скорость сварки и присущую лазерной системе гибкость.

Настоящее исследование было сосредоточено на оптимизации маршрута и характеризации лазерных сварных швов алюминиевых сплавов серий AA5000 и AA6000 с использованием лазера, который, как известно, менее эффективен для обработки алюминиевых сплавов по сравнению с лазером Nd: YAG. При этом использовался мощный лазер (CW) с максимальной выходной мощностью 5 кВт.Сначала было исследовано влияние параметров лазерной сварки, таких как мощность лазера, скорость сварки, положение фокальной точки, расход защитного газа, а также предварительная очистка поверхности сварного шва на конфигурацию зоны сварного шва, уровень пористости и склонность к растрескиванию при затвердевании. Затем было выяснено влияние добавки присадочного металла и подкладочной ленты на качество сварного шва. Качество сварного шва оценивалось в основном на основе профиля зоны сварного шва, пористости, трещин при затвердевании и механических свойств.

2. Методика эксперимента

Все материалы, использованные в этом исследовании, имеют коммерческое качество, алюминиевые сплавы AA5052 и AA5083 толщиной 2 мм и алюминиевый сплав AA6061 толщиной 2 мм и 3 мм.Их химический состав и механические свойства приведены в таблице 1. Использовался лазерный резонатор с быстрым осевым потоком, генерирующий почти одномодовый пучок (многомодовый TEM00) с максимальной продолжительной мощностью 5 кВт. Лазерный луч фокусировался до диаметра пятна 700 м с помощью системы параболических зеркал с фокусным расстоянием 200 мм. Предварительная очистка поверхности алюминиевых сплавов проводилась с использованием проволочной щетки из нержавеющей стали и раствора азотной кислоты для удаления или минимизации поверхностного оксидного слоя.

(а) Химический состав (мас.%).

Сплав Si Fe Cu Mn Mg Zn Cr Cr 1 Al 0,19 0,08 0,07 2.55 0,01 0,19 бал. AA5083 0,12 0,20 0,09 0,57 4,61 0,03 0,12 бал. AA6061 0,65 0,31 0,27 0,12 1,05 0.01 0,25 бал.

(b) Механические свойства.

Твердость (HV10) Сплав 0,2% Испытательное напряжение (МПа) Предел прочности (МПа) Относительное удлинение (%) AA5052-h22 190 230 10 66 AA5083-h22 280 330 13 96 99

Образцы были приготовлены в виде квадратных стыковых соединений с механически обработанной поверхностью. и прочно удерживались приспособлением для предотвращения деформации.Автогенные однопроходные стыковые швы были выполнены в поперечном направлении относительно направления прокатки образцов длиной 150 мм и шириной 100 мм (рис. 1). Для изучения влияния подкладочной ленты на профиль сварного шва и образование горячих трещин исследуемых сплавов на некоторые образцы была нанесена подкладка с использованием полос толщиной 2 мм, 3 мм и шириной 50 мм из того же основного материала.

Влияние добавки присадочного металла на качество профиля сварного шва и образование горячих трещин изучалось только для алюминиевого сплава AA6061.В связи с этим использовалась алюминиевая присадочная проволока AA4043 диаметром 1,2 мм, поскольку она рекомендована в качестве присадочного металла для этого типа сплавов.

Применяемые режимы лазерной сварки приведены в Таблице 2. Используемая мощность лазера находилась в диапазоне от 3 кВт до 5 кВт, а скорость сварки варьировалась от 3 м / мин до 6 м / мин. Расстояние расфокусировки (расстояние между точкой фокусировки и поверхностью образца) изменялось между мм и мм. Положительная расфокусировка указывает на то, что точка фокусировки находилась над верхней поверхностью заготовки, а отрицательная расфокусировка указывает на то, что точка фокусировки находилась ниже верхней поверхности.Экранирование осуществлялось с помощью газообразного аргона, подаваемого через коаксиальное сопло диаметром 4 мм с расходом от 15 до 25 л / мин.

: Скорость, Dd: расстояние расфокусировки. Толщина (мм) P (кВт) S (м / мин) Dd (мм) Защитный газ / расход (л / мин) 2 Аргон / 3 Аргон / Качество сваренных образцов оценивалось в первую очередь визуальным осмотром и радиографическим контролем. Затем из всех сварных швов были сняты поперечные срезы и подготовлены к механическим испытаниям (на растяжение, изгиб, микротвердость) и металлографическим исследованиям. Эти испытания проводились в соответствии с требованиями Американского сварочного общества, AWS D1.2 Structural Welding Code-Aluminium [20]. Влияние термической обработки на механические свойства сварных соединений сплава АА6061 исследовали на образцах, нагретых до 200 ° С в течение 1 часа после сварки, а затем закаленных в воде. 3. Результаты и обсуждение 3.1. Влияние мощности лазера и скорости сварки Независимо от внешнего вида, профиля и прочности сварного шва полное проплавление шва при высокой скорости сварки (5-6 м / мин) было получено с использованием мощности лазера 4 кВт для материала толщиной 2 мм и 5 кВт. для материала толщиной 3 мм. Для полного проплавления с использованием меньшей мощности лазера скорость сварки была резко снижена, что в целом неприемлемо с точки зрения производительности. С другой стороны, более высокая мощность лазера при увеличении скорости сварки привела к увеличению склонности к образованию трещин при затвердевании. Фотографии лицевой и корневой сторон сварного шва из сплава AA5083, выполненного с использованием мощности лазера 4 кВт, скорости сварки 6 м / мин, нулевого расстояния расфокусировки и защиты аргоном 15 л / мин показаны на рисунке 2. Визуальный осмотр всех сварные соединения имели гладкие и однородные сварные швы без поверхностной пористости. Однако наиболее важным замечанием является наличие заметного подреза (рис. 2 (а)) и чрезмерного проникновения (рис. 2 (б)). Это можно четко увидеть на макроснимках поперечных сечений сварных соединений сплавов, полученных с использованием различных скоростей сварки, как показано на рисунке 3.Значительное превышение проплавления и значительное недозаполнение были получены независимо от диапазона скорости сварки. Кроме того, в металле сварного шва было обнаружено несколько небольших пористостей. Что касается конфигурации зоны плавления, скорость сварки 4 м / мин (рис. 3 (а)) привела к получению широкого сварного шва, что неприемлемо в случае лазерной сварки. Увеличение скорости сварки до 6 м / мин (рис. 3 (b)) привело к получению типичной формы лазерной сварки, при которой было получено заметное уменьшение ширины сварного шва.Однако в этом случае возникает проблема, связанная с растрескиванием металла шва при затвердевании. Следует сообщить, что аналогичные результаты относительно конфигурации зоны плавления, пористости и растрескивания металла шва были получены для других сплавов AA5052, не поддающихся термической обработке, и сплавов AA6061, поддающихся термической обработке. В случае сплава AA6061 при затвердевании металла шва наблюдалось растрескивание при увеличении скорости сварки до 4 м / мин, как показано на рисунке 4. Что касается пористости, то считается, что это вызвано испарением летучих легирующих элементов, где магний может испаряться при относительно низкой температуре, что может привести к неприемлемой пористости в лазерных сварных швах [21].Однако энергодисперсионный рентгеновский микроанализ (EDX) всех исследованных сплавов показал отсутствие значительных различий в содержании Mg и Si как в основном металле, так и в металле сварного шва, как показано на рисунке 5 для сплава AA5083. Это связано с тщательным контролем параметров процесса. Следовательно, было сделано предположение, что пористость, присутствующая в металле сварного шва, может быть связана с поверхностным загрязнением основного металла гидроксидами, углеводородами и, в меньшей степени, с недостаточной защитой. Хорошо известно, что основной причиной образования пористости в алюминиевых сплавах является включение водорода в жидкость, и даже 2 ppm водорода в жидкости может быть достаточным для создания пористости в алюминиевых сварных швах [22].Это связано со значительной разницей в растворимости водорода как в жидком, так и в твердом сплаве, где растворимость водорода в жидкости намного выше, чем в твердом. Другими словами, водородная пористость образуется в результате отторжения водорода от твердого тела из-за пониженной растворимости [23, 24]. В настоящем исследовании предполагается, что образование пористости в основном связано с недостаточной очисткой поверхности основного металла перед сваркой и, в меньшей степени, с недостаточной защитой.Затем уровень пористости был значительно снижен за счет тщательной механической и химической очистки основного металла перед сваркой и за счет увеличения расхода защитного газа до 25 л / мин. Это означает, что уровни пористости в сварных швах зависят от процедуры лазерной сварки, при которой могут быть эффективны как предварительная очистка поверхности, так и оптимальная газовая защита. Кроме того, считается, что очистка поверхности заготовки перед сваркой с использованием щетки из нержавеющей стали и раствора азотной кислоты привела к увеличению шероховатости поверхности и, как следствие, снижению ее отражательной способности, что означает усиление связи энергии лазера во время сварки.Это может быть практическим решением для уменьшения отражательной способности и последующего повышения эффективности лазера, который, как известно, ниже, чем у лазера Nd: YAG для сварки алюминиевых сплавов. Для всех исследованных сплавов трещины наблюдались только в металле шва, в то время как ЗТВ не имела трещин. В таблице 3 показано возникновение сварных трещин в этих сплавах при различных скоростях сварки. Трещины были обнаружены в сплавах AA5052 и AA5083 при скорости сварки более 4 м / мин и в сплаве AA6061 при скорости сварки более 3 м / мин. 24 9 Сплав Скорость сварки, мм / мин 3 4 5 6 X X AA5083 O O X X AA6061 O X X X O Трещина сварного шва отсутствует, X Трещина сварного шва существует. Оптические микроскопические исследования металла сварного шва всех исследованных сплавов выявили ячеистую дендритную структуру с образованием равноосной зоны вдоль центральной линии сварного шва, как показано на рисунке 6 для сплава AA6061. Трещины наблюдались по границам равноосной зоны, образованной вдоль осевой линии сварного шва, и было подтверждено, что они являются трещинами затвердевания. Обычно растрескивание сварных швов в алюминиевых сплавах может происходить в результате относительно высокого теплового расширения алюминия, большого изменения объема при затвердевании и широкого диапазона температур затвердевания.Известно, что исследованные сплавы AA5052, AA5083 и AA6061 очень чувствительны к образованию трещин при сварке и при других традиционных сварочных процессах [25]. Считается, что механизм возникновения трещин при лазерной сварке аналогичен дуговой сварке. Однако степень растрескивания металла шва при лазерной сварке намного меньше, чем при дуговой сварке, из-за меньшего тепловложения при лазерной сварке [26]. Считается, что проблема растрескивания при затвердевании в этом исследовании объясняется высокой концентрацией напряжений в центре сварного шва из-за его вогнутости и высокого отношения глубины / ширины в результате недопустимого избыточного проплавления. 3.2. Влияние расстояния расфокусировки В предыдущем разделе точка фокусировки была отрегулирована так, чтобы она находилась на верхней поверхности образца, что означает нулевое расстояние расфокусировки. Чтобы прояснить его влияние как на глубину проникновения, так и на конфигурацию зоны плавления, расстояние расфокусировки варьировалось от +3 мм. На рис. 7 показана глубина проникновения как функция расстояния расфокусировки при 4 кВт, 6 м / мин для толщины 2 мм и 5 кВт, 5 м / мин для листов алюминиевого сплава толщиной 3 мм.Полное проплавление швов толщиной 2 и 3 мм было получено в широком диапазоне расстояний расфокусировки (и +1 мм). Однако приемлемый профиль сварного шва был получен при смещении фокальной точки ниже верхней поверхности образца. Увеличение или уменьшение расстояния расфокусировки за пределами этого диапазона привело к значительному уменьшению глубины проникновения. Это связано с резким уменьшением плотности мощности лазерного луча на верхней поверхности образца в обоих случаях. Типичная конфигурация зоны плавления алюминиевого сплава AA5083, сваренного с использованием мощности лазера 4 кВт и скорости сварки 6 м / мин при двух различных расстояниях расфокусировки, как показано на рисунке 8.Можно заметить, что смещение фокальной точки на 3 мм ниже верхней поверхности образца (Рисунок 8 (b)) привело к образованию пористости большого размера и уменьшению глубины проникновения примерно до половины от ее значения, полученного при расстоянии расфокусировки мм (Рисунок 8 ( а)). Однако проблема все еще связана с растрескиванием сварного шва при затвердевании в случае расстояния расфокусировки в миллиметрах, как это было обнаружено при оптическом микроскопическом исследовании металла шва. Считается, что эта проблема может быть связана с двумя основными причинами.Во-первых, высокое отношение глубины / ширины из-за значительного избыточного проплавления (рис. 8 (а)), которое может увеличить остаточные сварочные напряжения, действующие на сварной шов в перпендикулярном направлении. Во-вторых, вогнутая форма поверхности сварного шва (Рисунок 8 (a)), которая может привести к высокой концентрации напряжений в центре сварного шва по сравнению с выпуклой формой сварного шва (Рисунок 8 (b)). 3.3. Влияние присадочной проволоки и подкладочной ленты Результаты предыдущих разделов показали, что оптимальные параметры лазера, касающиеся полного проплавления с узкой зоной плавления, свободной от пористости, составляли 4 кВт, 6 м / мин, мм для материала толщиной 2 мм и 5 кВт, 5 м / мин, мм для материала толщиной 3 мм.Однако подтверждено, что исследованные алюминиевые сплавы подвержены растрескиванию при затвердевании даже при этих оптимальных параметрах сварки. Эта проблема растрескивания при затвердевании была решена в данном исследовании с использованием двух различных подходов. Первый был основан на добавлении присадочной проволоки вместо автогенной сварки, где был получен приемлемый профиль лазерной сварки без трещин при затвердевании, как показано на Рисунке 9. Этот результат хорошо согласуется с другими исследовательскими работами, как было продемонстрировано в некоторых исследования сплавов серий AA5000 и AA6000 [27]. Другой подход был связан с решением проблемы растрескивания при затвердевании при автогенной сварке с использованием подкладной ленты из того же основного металла. Визуальный осмотр сварных соединений, выполненных с использованием этого метода, показал гладкие и однородные сварные швы, в которых подрез и избыточное проплавление были значительно уменьшены до приемлемого предела, что, в свою очередь, исключило образование трещин при затвердевании. Следует отметить, что одинаковые параметры использовались для сварных швов, полученных с использованием подкладочной ленты или присадочной проволоки.Другими словами, скорость или производительность сварки не уменьшились при добавлении присадочного пламени. Поперечное сечение сварного шва из сплава AA5083, полученного с использованием оптимальных параметров сварки, и подкладной полосы показано на Рисунке 10 (а). Очевидно, что использование подкладной ленты привело к значительному улучшению формы сварного шва, где он стал выпуклым, что является рекомендуемой и приемлемой формой с точки зрения образования горячих трещин. Кроме того, проникновение корня было ограничено требуемым и допустимым пределом.Другой важный вывод — отсутствие в этом случае трещин при затвердевании металла шва. Это было подтверждено исследованием металла сварного шва под оптическим микроскопом при большем увеличении, как показано на Рисунке 10 (b). Это объясняется уменьшением концентрации напряжений в центре сварного шва из-за улучшения профиля сварного шва, то есть получения выпуклого валика и уменьшения отношения глубины / ширины проплавления. Следует сообщить, что аналогичные результаты относительно влияния подкладочной ленты на профиль сварного шва, а затем и на растрескивание при затвердевании, были получены как для сплавов AA5052, так и для сплавов AA6061.Можно сделать вывод, что использование подкладной ленты может быть новым и относительно недорогим практическим решением для предотвращения растрескивания при затвердевании сварных соединений алюминиевых сплавов. Другие исследователи устранили проблему растрескивания при затвердевании в алюминиевых сплавах, используя временное формирование импульса [28]. На рис. 11 представлена ​​оптическая микрофотография поперечного сечения границы плавления стыкового сварного шва AA6061, полученного с использованием аргона мощностью 5 кВт, 4 м / мин, мм и 25 л / мин. Наиболее заметная особенность — малая ширина ЗТВ.Это связано в основном с низким тепловложением, что привело к узкой зоне сварного шва и, как следствие, узкой ЗТВ. 3.4. Механические свойства Профили микротвердости металла шва, ЗТВ и основного металла всех исследованных сплавов показаны на рис. 12. Ширина наплавленного металла сплавов серий AA5000 и AA6000 составляет около 2 мм, а их ширина ЗТВ составляет около 1 мм. Для трех исследованных сплавов наименьшее значение твердости было получено у металла шва, затем твердость постепенно увеличивалась в ЗТВ, пока она не стала почти равной твердости основного металла.Также можно отметить, что наибольшее снижение твердости и более широкая мягкая зона за счет сварки среди трех исследованных сплавов были достигнуты в случае сплава AA6061. Однако такое размягчение можно восстановить с помощью обработки старением после сварки. На рис. 13 показано влияние искусственного старения при 200 ° С после сварки на твердость сварного соединения этого сплава. Очевидно, что твердость как металла шва, так и HAZ была значительно увеличена после обработки старением после сварки, где она стала близкой к твердости основного металла. Как 0,2% условного напряжения, так и предел прочности сварных соединений сплавов AA5052, AA5083 и AA6061 показаны на рисунке 14, а их удлинение при растяжении показано на рисунке 15. В сравнении с механическими свойствами основного металла сварка привела к ухудшению 0,2% предела текучести, предела прочности на разрыв (рис. 14) и удлинения (рис. 15) трех исследованных сплавов. Однако в случае сплава AA6061 ухудшение было серьезным. 0,2% условного напряжения и прочности на разрыв сварных соединений AA5052 и AA5083 были снижены примерно до 87%, в то время как их удлинение было уменьшено примерно до 75% от удлинения основного металла, где все образцы разрушились в металле сварного шва.Для сплава AA6061 0,2% условного предела текучести и предел прочности на разрыв сварного соединения были заметно уменьшены до примерно 65%, в то время как его удлинение уменьшилось примерно до 55% от удлинения основного металла, при этом образцы снова разрушились в металле сварного шва. После обработки старением после сварки при 200 ° C как прочность на разрыв (Рисунок 14), так и относительное удлинение (Рисунок 15) увеличились примерно до 97% от таковых для основного металла. Эти улучшения механических свойств образцов, состаренных после сварки, объясняются повторным осаждением частиц упрочняющих выделений как в металле шва, так и в ЗТВ. Очевидно, что такие же уровни прочности на разрыв и относительного удлинения основного металла не могут быть достигнуты для сварных соединений. Как для сплавов AA5052, так и для сплавов AA5083, материалы поставлялись в условиях деформационного упрочнения h22. Повторный нагрев такого упрочненного материала выше 350 ° C вызовет снижение прочности из-за рекристаллизации материала [29]. С другой стороны, сплав AA6061 поставлялся в состоянии T6, подвергался термообработке на твердый раствор и искусственно состарен.Затем нагревание при сварке вызовет растворение упрочняющих выделений (), что приведет к резкому размягчению. Как правило, для сохранения механических свойств при сварке алюминиевых сплавов необходимо минимизировать подвод тепла и время воздействия очень высоких температур. По сравнению с процессами дуговой сварки, лазерная сварка предлагает преимущества низкого тепловложения и чрезвычайно высокой скорости охлаждения, что помогает минимизировать металлургические проблемы в зоне плавления.Например, высокая скорость охлаждения будет иметь тенденцию замедлять развитие пузырей из-за короткого времени, в течение которого может происходить диффузия водорода. Кроме того, низкое тепловыделение будет способствовать сохранению очень узкой ЗТВ, сохраняя некоторую часть прочности материала. Несмотря на то, что электронно-лучевая сварка дает преимущества процесса сварки с высокой плотностью энергии, требуется вакуумная камера, что не всегда практично. 4. Выводы С учетом результатов, полученных в данном исследовании, можно сделать следующие выводы. (1) Использование сфокусированного лазерного луча высокой мощности с оптимизированными параметрами и тщательной подготовкой материала перед сваркой позволяет получать сварные швы высокого качества для сплавов серий AA5000 и AA6000. Скорость сварки 6 м / мин и мощность лазера 4 кВт привели к полному проплавлению сварного шва толщиной 2 мм, а 5 м / мин и 5 кВт привели к полному проплавлению сварного шва толщиной 3 мм. Оптимальный профиль сварного шва был получен при размещении фокуса на 1,5 мм ниже верхней поверхности образца.Считается, что эффективность лазерной сварки алюминиевых сплавов может быть повышена за счет очистки поверхности заготовки перед сваркой с помощью щетки из нержавеющей стали и раствора азотной кислоты. Это связано с увеличением шероховатости поверхности, что означает уменьшение отражательной способности поверхности и усиление связи энергии лазера во время сварки. (2) Все исследованные сплавы проявляли склонность к пористости и образованию трещин при затвердевании, в частности, при высокой скорости сварки (4 м / мин).Пористость удалось предотвратить за счет тщательной очистки основного металла перед сваркой и оптимизации расхода защитного газа аргона. Проблема растрескивания при затвердевании решается двумя разными способами. Первый основан на добавлении присадочного металла, о чем сообщалось в других исследовательских работах. Другой новый подход был связан с выполнением автогенной сварки с несущей полосой из того же основного металла, и это могло быть применимо в производстве. Предотвращение растрескивания при затвердевании в обоих случаях было связано главным образом со значительным снижением концентрации напряжений в центре металла шва за счет улучшения профиля зоны сплавления, уменьшения избыточного проплавления и последующего уменьшения отношения глубины / ширины зоны сплавления вместе с выпуклостью. Share This Post  :  Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт