Анализ способов дуговой автоматической сварки алюминия

Дуговая сварка алюминиевых сплавов связана с определенными трудностями вследствие их большого химического сродства к кислороду и склонности к интенсивному поглощению водорода. Возможность получения качественных сварных соединений определяется, в первую очередь, выбором оптимального способа сварки с учетом ряда требований, включающих в себя обеспечение плотности шва, его внешнего вида, производительности и универсальности процесса.

Изготовление сварных алюминиевых конструкций осуществляют, в основном, следующими дуговыми способами сварки: ручной сваркой покрытым электродом, сваркой неплавящимся (угольным или вольфрамовым) электродом в инертных газах и сваркой плавящимся электродом по слою флюса или в инертных газах.

Ручная сварка угольным или покрытым электродом сохранилась только для неответственных изделий, т.к. имеет ряд существенных недостатков - тяжелые условия труда сварщиков вследствие мощного излучения горящей дуги и большого выделения сварочных аэрозолей, значительные деформации изделий и повышенное количество дефектов в металле шва.

В промышленности для сварки алюминия и его сплавов применяются в основном два способа:

а) автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов;

б) автоматическая дуговая сварка по слою флюса.

Сварка в среде защитных газов может выполняться как неплавящимся вольфрамовым электродом, так и плавящимся электродом, представляющим собой проволоку того же состава, что и основной металл. Применение плавящегося электрода целесообразно при сварке толстолистового металла.

Защитным газом, который изолирует расплавленный металл от взаимодействия с атмосферой воздуха, может быть аргон, гелий или их смесь. При этом способе сварки практически отсутствует возможность металлургической обработки металла шва и потому необходимо использовать все сварочные материалы высокой степени чистоты.

Так, например, при сварке в среде технического аргона, содержащего до 16 % азота и 0,4 % кислорода, получить качественное сварное соединение невозможно. Поэтому применяют защитные газы первого или высшего сорта по ГОСТ 10157-79 с содержанием аргона не менее 99,987 и 99,993 % соответственно.

Кромки свариваемых деталей и электродную проволоку перед сваркой подвергают механической или химической обработке с целью удаления оксидных пленок и других загрязнений. Для металла толщиной более 12 мм сварка производится в несколько проходов. Технология многопроходной сварки требует обязательной механической разделки свариваемых кромок и имеет ряд существенных недостатков. При этом качественная подготовка кромок, подрубка корня шва и тщательная зачистка промежуточных слоев в процессе получения сварного соединения еще не гарантирует стабильного качества металла шва вследствие образования внутренних дефектов в виде пор, несплавлений, трещин и раковин. Кроме того, многослойная сварка менее производительна, чем однопроходная, и способствует возникновению в изделии значительных деформаций.

Открытая дуга способствует образованию оксидов азота, озона и дисперсной пыли. В процессе исследований К.В. Мигай  обнаружил в зоне дыхания сварщика при сварке на обычных режимах небольшое количество оксида азота, не превышающего нормы, и 0,9 мг/м³ озона, что в девять раз больше санитарной нормы.

Тепловая реакция при сварке неплавящимся электродом на уровне рук составляет 0,8-2,2 кал/см² мин и лица - 1,0-13 кал/см² мин, а плавящимся электродом - соответственно 1,2-2,8 и 1,5-2,1 кал/см² мин, что не позволяет вести процесс сварки при незащищенных частях тела.

Автоматическая сварка плавящимся электродом в среде аргона является более универсальным способом для соединения литейных и деформируемых алюминиевых сплавов. Однако широкое ее применение ограничивается рядом существенных недостатков, к которым, в первую очередь, относят: низкую тепловую мощность дуги, неблагоприятную форму шва (большое усиление, неглубокий и узкий провар); повышенную склонность швов к образованию пор, особенно на технически чистом алюминии; необходимость разделки кромок для металла толщиной свыше 20 мм; относительно низкие механические и коррозионные свойства сварных соединений и др.

Для снижения пористости швов и повышения глубины провара вводят в аргон незначительные добавки кислорода, диоксида углерода, азота, хлора и других газообразных галогеносодержащих компонентов. Однако это, в свою очередь, приводит к ухудшению внешнего вида шва, увеличению количества оксидных, нитридных и хлоридных включений, снижению пластических свойств шва и ухудшению санитарно-гигиенических условий труда сварщиков. Что касается комбинированного способа сварки "плазма - плавящийся электрод", то он еще в промышленности не получил широкого распространения.

Для получения качественного сварного соединения приходится расходовать большие количества инертных газов, которые пока еще дефицитны и дороги.

Способ сварки алюминия по слою флюса был впервые разработан в Московском авиационно-технологическом институте. Был создан ряд флюсов, применяемых для сварки алюминия и его сплавов по слою флюса.

В институте электросварки им. Е.О. Патона также велись работы по сварке алюминия и его сплавов. Предложенный этим институтом флюс марки АН-А1 в настоящее время в основном и применяется для сварки алюминия по слою флюса в промышленности.

Автоматическая сварка алюминия и его сплавов по слою флюса отличается от ранее рассмотренного способа более высокой производительностью за счет применения однопроходной двухсторонней сварки без разделки кромок свариваемых деталей. Флюсы способствуют улучшению металлургической обработки металла шва в процессе сварки.

При минимальной влажности окружающей атмосферы этот способ позволяет получать удовлетворительного качества сварные соединения. С повышением влажности воздуха из-за открытой сварочной дуги в металле шва увеличивается концентрация растворенного водорода, способствующего порообразование. Особенно трудно избавиться от пор при сварке металла толщиной выше 20 мм. При этом в верхней части шва на глубине 1-2 мм наблюдается сплошная сетка пор. Иногда металл шва бывает загрязнен шлаковыми включениями. Открытая дуга не позволяет поддерживать в реакционном пространстве постоянный газовый состав, оказывающий в конечном итоге влияние на получение одинакового по качеству металла шва. Поэтому в процессе эксплуатации сварных изделий в агрессивных средах наблюдается интенсивная местная коррозия металла шва.

Для снижения влажности и предупреждения пористости металла шва флюс после изготовления хранят в герметически закрытой таре, а перед сваркой его прокаливают. Но это является полумерой, так как открытая сварочная дуга создает благоприятные условия для насыщения металла сварочной ванны водородом за счет влаги окружающего воздуха.

Насыпная высота флюса строго устанавливается для каждой толщины металла, например для  δ = 25 мм она равна 16 мм. Если высота флюса будет взята больше оптимальной, то возможен переход электродугового процесса в электрошлаковый, и тогда сварное соединение получить невозможно.

Весьма существенным недостатком способа сварки по слою флюса является значительное выделение пыли и вредных газов, во много раз превышающих норму.

Из-за открытой дуги при сварке алюминия по слою флюса рабочая атмосфера, кроме пыли и газов, дополнительно загрязняется озоном, оксидами азота и сопровождается интенсивной ультрафиолетовой радиацией. Концентрация озона при автоматической сварке по слою флюса на уровне дыхания сварщика превышает норму в 8-10 раз и только на расстоянии свыше 1,8 м от места горения дуги достигает нормы. Сварочное оборудование при сварке открытой дугой работает в тяжелых условиях.

Зусин В.Я. "Сварка и наплавка алюминия и его сплавов".