Технология сварки алюминия и его сплавов

Технология сварки алюминия с помощью аргона

По степени механизации аргоновую технологию соединения подразделяют на ручную и полуавтоматическую. Рассмотрим первую.

Подготовка металла

Алюминий зачищают от окислов и грязи металлической щёткой или наждачной бумагой. Щётками работают только с этим металлом, чтобы не допустить попадания в зону сварки частиц других материалов – это уменьшит надёжность шва.

Применяют и химический метод зачистки деталей. Для этого в литр воды добавляют по 50 г едкого технического натра и фтористого натрия. Обработка сохраняет чистоту изделий на несколько дней. Для этого детали:

промывают растворителем;
протравливают едкой щелочью;
промывают водой;
сушат;
прокаливают 15-20 минут при температуре 300 ̊C.

Режимы аргонодуговой сварки алюминия и необходимое оборудование

Режим процесса определяют род, полярность и величина тока. Для соединения изделий из алюминия применяют переменный или постоянный токи прямой полярности. Величина его зависит от диаметра электрода, толщины и вида металла, что отображено в таблице.

Для определения режима важны и следующие параметры:

Напряжение дуги – зависит от её длины. Рекомендуют от 1,5 до 3 мм, тогда напряжение составит 11-14 В.
Скорость сварки – определяется исполнителем исходя из формы и толщины шва.
Расход аргона – так, чтобы хватило на весь процесс без необходимости прерывания и достаточно для защиты зоны шва от окисления.
Расстояние между электродом и соплом горелки. Для стыковых соединений – 3-5 мм, тавровых и угловых – 5-8.

Комплект оборудования включает:

источник напряжения – трансформатор или инвертор;
горелка для плавящегося электрода или вольфрамового прутка;
осциллятор для розжига дуги;
баллон с газом и редуктор;
средства защиты и расходные материалы.

Примерная стоимость аппаратов для аргонодуговой сварки на Яндекс.маркет

Оборудование заводского изготовления стоит от 10 до 500 тысяч в зависимости от потребительских свойств и рабочих параметров, а также степени механизации процесса.

Заточка электрода, процесс сварки

Электроды различают по добавкам в их составе. Для сварки алюминия используют маркированные и с концами, окрашенными в следующие цвета:

WC 20 серый;
WT 20 красный;
WL 15 жёлтый.

Затачивают под конус при сварке постоянным током, с закруглённой вершиной – при переменном режиме. Длина заточенной части от 0,5 до 2 диаметров электрода: если длина заточки больше, ширина зоны проплавления получится меньше, чем требуется для качественного соединения; если заточка мала – снизится глубина проплавления. Риски, возникающие при заточке, влияют на стабильность дуги, поэтому конус лучше отполировать.

Прежде чем зажечь дугу, регулируют подачу газа, чтобы процесс шёл с самого начала в защитной среде. Аппаратом Kemppi MasterTig MLS 3003 ACDC работу ведут не дольше трёх минут, после чего, чтобы не перегреть, делают перерыв 5-7 минут. Затем выставляют режим плавного уменьшения тока (заварки кратера), в нашем случае 6-7 секунд. Это конечный участок сварного шва в 5-10 мм, высоту которого плавно уменьшают до нуля. Чтобы усадочная раковина в конце шва не получилась глубокой, подают большее количество присадочного материала.

Схема аргонодуговой сварки

Дальше задают время выхода газа от 1 до 30 секунд с шагом в одну секунду: аргона должно хватить, чтобы в сварочную ванну от начала до конца не поступал кислород. Поэтому горелку сразу после прерывания струи поднимать не рекомендуют.

https://youtube.com/watch?v=Q1Hp4duHhUc

Алюминий является одним из самый распространенный металлов, но в то же время и одним из самых сложных, так как на нем образуется оксидная пленка, имеющая температуру плавления выше, чем у самого металла. Это вызывает трудности при газовой сварке алюминия. В современном сварочном деле существует несколько способов для его сварки:

TIG – ручная методика неплавящимся электродом;
MIG – полуавтоматический способ.

Эти методы могут проходить как в среде защитного газа, так и без него. Рассмотрим далее, как производится сварка алюминия аргоном.

Аргон представляет собой благородный инертный газ, не имеющий запаха и цвета, почти в полтора раза тяжелее воздуха. Он слишком востребован для использования при соединении деталей из-за своей доступности, в сравнении с другими инертными веществами. Без аргона можно варить, но при этом происходит окисление расплавленного металла (при взаимодействии с кислородом), что значительно влияет на качество и эстетичность соединения. Именно поэтому в приоритете газовая сварка алюминия с использованием данного газа.

Правильная аргоновая горелка

Горелка для аргоновой сварки.

Задачи горелки – подача электроэнергии и создание газовой защиты. Верный выбор горелки так же важен, как и выбор правильных расходников. В аргонодуговой технологии используется специальная горелка с неплавящимся вольфрамовым электродом: аргоновая сварка нержавейки производится только таким способом.

Вот технические свойства горелки, по которым ее нужно выбирать:

допустимое значение сварочного тока или мощность;
тип охлаждения горелки при сильных и слабых токах;
длина электрического кабеля;
наличие керамического сопла и фиксатора вольфрамового электрода;
универсальность горелки – способность подключаться к разным сварочным аппаратам.

Главный элемент аргоновой горелки – специальный резервуар со штуцерами для охлаждающей жидкости. Вольфрамовый электрод подключен к электрическому кабелю аппарата для аргоновой сварки. Вокруг электрода подается газ.

Этапы процесса работы горелки:

Включается все сразу: подача газа на горелку, циркуляция охлаждающей жидкости, сам сварочный аппарат.
Как только образуется защитный слой из аргона, поджигается дуга, происходит разогрев заготовок до температуры плавления, присадочная проволока помещается в образовавшуюся рабочую ванну.
Перемещение присадочной проволоки и вольфрамового электрода вдоль шва.

Горелка с неплавящимся электродом

Процесс сварки горелкой с защитным газом.

В основном это ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Со сплавами типа нержавеющей стали и химически активными металлами – алюминием, титаном и магнием работают только с неплавящимися вольфрамовыми электродами.

Сварка нержавейки аргоном, например, отличается тем, что во время плавления этих металлов и нагревании воздуха окисление происходит сильнее и быстрее, чем с заготовками их других материалов. Применяется в основном для ручных типов работ. Для сварки нержавейки полуавтоматом также применяются горелки такого вида.

В состав горелки входят электрод, который закреплен в токоподводящей цанге, керамическое сопло для направления аргоновой струи и системы воздушного или водяного охлаждения. Тип электрода по диаметру зависит от величины тока в сварочном процессе.

Горелка для механизированной аргонной технологии немного другая. В ее состав входят вольфрамовый электрод неплавящийся с маховичком для подъема и опускания, токоподводящая сменная цанга с гайкой для электродов разного диаметра.

Брызг металла при этом способе нет, поэтому вместе с керамическими соплами используются проницаемые для газа сетчатые линзы для получения равномерного плавного потока газа. Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом – один из самых распространенных методов непромышленной сварки.

Горелка с плавящимся электродом

Современные технологии сварки.

Чаще используется в автоматической или полуавтоматической аргонной сварке. Дуга в этом случае подается между концом сварочной проволоки и заготовкой. Системы охлаждения могут быть жидкостными и воздушными. Требования к соплу практически такие же, как к горелкам с неплавящимися электродами.

Технология сварки алюминия аргоном

Чтобы в результате аргонной сварки получилось качественное соединение, необходимо соблюдать все правила при работе

Во-первых, важно приготовить материал и проволоку, во-вторых, настроить аппарат, в-третьих правильно возбудить дуг и удерживать ее до конца процесса

Как правильно настроить оборудование для газовой сварки алюминия

Рассмотрим на примере стандартного листа Al, толщиной в 2 мм. Всегда при соединении аргоном сначала подается и настраивается поток инертного газа, а затем включается источник тока. В идеале, во время аргонодугового соединения алюминия должно расходоваться около восьми литров защитного газа в помещении и в полтора раза больше, если на улице

Но при этом, важно помнить про турбулентность. Если включить сильно большую подачу газа, он может «закручиваться» и смешиваться с воздухом, чего тоже нельзя допускать

Для такого размера заготовок к сварке аргоном подойдет проводник, диаметром 1,6-2,4 мм.

Поджог дуги

После этого можно приступать к образованию дуги. Чем лучше заточен электрод, тем быстрее образуется дуга. Ее можно возбудить ударным способом, ударив проводником по металлу или же автоматическим, если на аппарате предусмотрена такая функция. В самом начале положение его должно быть строго перпендикулярно (90градусов) к положению деталей. Поворачивать или склонять можно электрод, когда уже будет дуга

Далее, очень важно до образования ванны не притрагиваться электродом ни к заготовкам, ни к придаточной проволоке

Сварочная ванна

Затем происходит процесс формирования сварочной ванны или сварочного ядра (в случае точечного способа)

Она появляется за несколько секунд, важно не передержать, чтобы не пропалить изделие. После этого начинается процесс наплавления валиков по стандартной технике и формирования шва

Как это делать, подробнее можно прочесть тут. При этом сопло к детали держится под наклоном, в зависимости от положения соединения. Например, при работе в нижнем положении, сопло от ванны должно находиться примерно под углом 45 градусов. Расстояние от металла до электрода примерно 0,3-0,4 сантиметра. Присадочная проволока держится примерно под углом в 15 градусов во время сварки для деталей из алюминия, как показано на картинке.

В процессе проволока для сварки алюминия аргоном постоянно отводится вдоль соединения. То есть, металл плавиться. Добавляем прут, потом убираем его и отодвигаем. При тонком металле не нужно делать никаких движений соплом. Если деталь шире 3 миллиметров, тогда рекомендуется формировать шов «зигзагом» или «петельками». Чтобы к сварке аргоном присоединить еще и наличие фигурного шва, нужно долго тренироваться. Не все мастера так умеют.

Под конец дорожки, нужно уменьшить подачу проволоки для сварки алюминия аргоном и увеличить ток, чтобы заварить кратер – это и будет финальный этап аргонодугового соединения изделий.

После сварки алюминия аргоном постоянным током нужно внимательно осмотреть все соединения, чтобы оценить качество работы своими руками. Если обнаруживаются дефекты – их всегда можно исправить или переделать.

В завершение хотеться отметить, что к аргонной сварке требуется относиться более чем ответственно и долго тренироваться, только тога получится полноценный шов на изделии.

Более подробно, как производится аргонно дуговая сварка алюминия, можно посмотреть в следующем видео:

https://youtube.com/watch?v=TlFlVegc40U

Особенности сварки алюминия и его сплавов

Одним из существенных недостатков материала являются трудности, с которыми сталкиваются при сварке деталей из него. Этот недостаток связан с тем, что алюминий образует быструю и прочную химическую связь с кислородом. Говоря проще, его верхний слой моментально образовывает плёнку, представляющую собой окись алюминия. Основные трудности, возникающие при сварке алюминия, вызваны его химическими и физическими особенностями:

Существенная разница между температурой плавления самого металла (она составляет 660°C), и температурой плавления окисной поверхностной плёнки (достигает температуры 2060°C).
Большое количество сплавов алюминия с другими металлами. Это необходимо для придания требуемых свойств. Различные легирующие добавки изменяют температуру плавления, следовательно, необходимо создавать соответствующие условия для сварки таких деталей.

Температура плавления алюминия и его окисной пленки

Трудности, связанные с первой особенностью, решаются достаточно легко с помощью современного оборудования. Однако следует помнить, что коэффициент теплового расширения внешней оксидной плёнки в три раза меньше, чем этот коэффициент самого алюминия. При некачественном прогреве внутри образуются трещины и пустоты. Кроме этого поверхностная плёнка является более рыхлой. Она обладает высокой гигроскопичностью и худшими защитными свойствами.

Для преодоления второй проблемы, необходимо знать какой состав сплава требуется сварить. Сегодня в промышленном производстве в алюминий добавляют различные химические элементы: медь, магний, марганец и даже кремний. Все эти сплавы делятся на следующие группы:

Сплавы, в состав которых входят алюминий, медь и марганец. Они называются дюралюмины.
Сплавы алюминия, кремния и марганца. Они получили название – авиали.
На основе алюминия и меди с добавлением различных элементов. Например, железа и никеля.
С добавлением цинка.

Процесс сварки аргоном

Все эти они имеют соответствующие обозначения в соответствии с ГОСТ. Но, следует помнить, что из всего перечня сплавов хорошо свариваются не все. К ним относятся: сплавы марки АД, АМ, АВ, М и Д20. Для сварки определённого вида сплава необходимо использовать подходящую для него сварную проволоку и соответствующие флюсы и присадки. Их перечень приведен в ГОСТ 7871-75.

Для проведения качественной сварки следует учитывать следующие особенности:

трудности, связанные с расплавлением верхней оксидной плёнки;
относительно невысокую температуру плавления самого алюминия;
необходимость в мощном источнике энергии;
обязательная заварка образующегося кратера;
тщательная зачистка шва, перед тем как приступить к сварке.

Сварочный шов

В настоящее время применяются следующие виды сварочных процессов:

В окружении инертных газов. Применяются вольфрамовые электроды и добавочные бруски. Такой режим называется AC TIG.
В окружении инертных газов с автоматизированной подачей сварочной проволоки. Такой способ получил наименование DC MIG.
Без использования газовой защитной оболочки. В этом случае место сварки покрывается плавящими электродами. Этот режим именуется ММА.

Независимо от выбранного способа сварки сплавов алюминия, главной задачей является разрушение образованного слоя оксидной плёнки на поверхности свариваемых деталей. Для этого используется переменный или постоянный ток разной полярности. В этом случае можно добиться так называемого катодного распыления верхней оксидной плёнки.

Определение сварки аргоном

В этом виде сварки электрическая дуга горит в среде инертного газа аргон, который защищает свариваемые поверхности от воздействия кислорода.

Иногда аргон заменяют гелием: он имеет аналогичные свойства, но стоит дороже, поэтому используется реже. Принцип работы в гелиевой и аргонной среде одинаковый.

Область применения

Данный вид сварки широко применяется не только на разных производствах в дуговой, плазменной или лазерной сварке. Домашние умельцы активно используют его в быту, для соединения высоколегированных сплавов и редкоземельных металлов. Газосварка является достаточно опасной, и хранить такое оборудование в гараже не стоит, но это не касается аргона, т.к. он полностью безопасен и не взрывается.

В продаже есть стальные баллоны с этим газом емкостью от 15 до 40 л. Если варить надо нечасто, можно приобрести небольшой резервуар, которого хватит надолго. Так как вредные токсины при работе с таким оборудованием не выделяются, рядом с ним неопасно находиться посторонним людям.

Общий принцип технологии

Инертный газ защищает место проведения сварочных работ от негативного воздействия кислорода. Из-за разности потенциалов между электродом и деталью появляется электрическая дуга и создается высокая температура. Кромки деталей начинают плавиться, в результате чего образуется сварочная ванна. В эту зону постоянно подают присадку, а также аргон под давлением: он защищает свариваемые материалы от окисления.

Принцип сварки основан на соединении поверхностей металлов в среде защитного газа.

Чтобы понять, как правильно варить аргоном, надо разобраться со строением главного рабочего элемента оборудования. Это горелка, в которой закреплены вольфрамовый неплавящийся электрод и сопло, через которое подается аргон. При небольшой толщине соединяемых заготовок сварка может выполняться без использования присадочного материала.

Подключение к электросети выполняют 2 способами:

прямая полярность (на заготовку подают минус, а на рабочий стержень – плюс);
обратная (здесь все наоборот, но это приводит к неустойчивому горению дуги и преждевременному износу вольфрама).

Свойства газа и влияние на металл

Благодаря физико-химическим характеристикам аргон не вступает в химические соединения с другими веществами: даже при высоких температурах он не взаимодействует с кислородом. Его возможно применять при сваривании разных металлов и сплавов в промышленных и домашних условиях. Инертный аргон практически полностью изолирует в сварочной ванне расплавленный материал от кислорода, имеющегося в воздухе, поэтому шов не окисляется.

Основные свойства аргона:

почти на 40% тяжелее компонентов, входящих в состав воздуха, поэтому легко вытесняет их из зоны проведения сварочных работ;
не принимает участия в непосредственной сварке металлов и никак не влияет на их структуру;
в случае использования обратной полярности выступает в качестве электропроводной среды.

Особенности использования инвертора

При выполнении аргонодуговой сварки в промышленных и домашних условиях используют инвертор. Это оборудование служит для преобразования переменного тока в постоянный. В отечественных электросетях часто бывают скачки напряжения, но современные инверторы хорошо к этому приспособлены и обеспечивают стабильные выходные показатели.

При выполнении аргонодуговой сварки используют инверторы.

Используемые в данном виде сварки аппараты отличаются небольшим весом и габаритами, высокой надежностью и простотой обслуживания. Все это позволяет начинающим сварщикам легко освоить используемое оборудование и сам процесс аргоновой сварки.

Инверторная сварка нержавеющей стали в среде аргона, по сравнению с другими способами соединения таких сплавов, отличается простотой. Здесь сварщику надо только правильно двигать горелку вдоль шва.

Почему при сварке алюминия нужен аргон

Вообще, со сваркой алюминия может управляться и любой другой инертный газ. Например, гелий, который еще в 40-х годах прошлого века активно применялся в США для сварки алюминиевых сплавов. Однако себестоимость аргона в разы ниже, а результирующий эффект остается таким же. Важнее знать, почему именно наличие слоя инертного газа способствует качественному соединению алюминиевых изделий.

Если тщательно соскоблить поверхностный слой на любой алюминиевой детали, то можно заметить, что под поверхностью находится блестящий металл. Однако вскоре его цвет изменится на более тусклый и это верный признак того, что на поверхности уже образовался слой окиси алюминия Al₂O₃ — вещества, устойчиво предохраняющего металл от дальнейшего окисления. Если температура плавления чистого алюминия составляет 660С, то окисной пленки — более 2000С, что существенно ограничивает технологические возможности обычных видов сварки. Кроме того, Al₂O₃— вещество химически инертное и весьма твердое. Таким образом, для сварки алюминия подойдет технология, при которой каким-либо образом удастся «содрать» эту пленку с поверхности металла и удалить ее за пределы зоны сварки. Таким источником тепла может быть только электрическая дуга. Причем дуга переменного тока, когда общее его направление будет меняться в соответствии с частотой тока в бытовой электросети, т.е. 50 Гц. Использование переменного тока для сварки алюминия решает две задачи:

Позволяет использовать более компактные и удобные в эксплуатации сварочные инверторы (вместо громоздких сварочных преобразователей, которые требуют высокой квалификации работающего и специальной подготовки рабочего места);
Обеспечивает надежное удаление поверхностной пленки оксида алюминия с поверхности алюминиевых заготовок, поскольку температура электрода при этом превышает граничную температуру термической стойкости Al₂O₃.

Важно, что при этом обязательно необходимо соблюсти нужную полярность тока. При обратной полярности, когда анодом является электрод-инструмент, направление электронного потока направлено от электрода к заготовке

Поскольку температура в столбе дуги составляет 5000-6000С (в приконтактных областях она, правда, ниже, но все равно существенно превышает температуру плавления окиси алюминия), то обладающие огромной энергией электроны разрушают окисную пленку, очищают исходную поверхность и обеспечивают ее устойчивое плавление.

Однако наличия обратной полярности для успешной сварки алюминия недостаточно. Необходима также наружная среда, индифферентная к воздействию повышенных температур, и активно противодействующая попыткам оксида алюминия вновь восстановиться на очищенной поверхности. Эту задачу и выполняет инертный газ.

Оборудование и материалы

Необходимо учесть, что подходящее сварочное оборудование делится на 3 основных разновидности. Специализированные приспособления все время работают только с однотипными заготовками. Универсальные аппараты могут использоваться в различных режимах. Есть еще специальное оборудование — так называют промышленную технику, которая работает пусть и с разнородными деталями, но строго одинакового размерного ряда.

Еще важную роль играет использование главного и вспомогательного трансформаторов. Основную роль играют дуговые аппараты со штатным напряжением 70 В. Вспомогательный трансформатор подключают, когда нужно обслужить коммутирующие устройства.

Кроме этого, потребуются:

осциллятор;
контактор (он выдаст ток заданного напряжения);
электроды из вольфрама;
присадочные проволоки;
баллон, начиненный аргоном;
редуктор (монтируется на баллон);
выпрямители (дают стабильный постоянный ток автомобильного напряжения);
измеритель времени газового обдува;
амперметр;
специальный клапан и некоторые другие компоненты.

Необходима подача только газа с очень высокой чистотой, иначе высокие характеристики готовых изделий недостижимы. Не допускается наличие более 0,2-0,3% примесей (по отношению к общей массе). Запрещено присутствие в обнаружимых количествах:

водорода;
кислорода;
водяного пара;
углекислоты;
углеводородов любого вида.

Отдельного разговора заслуживают используемые в аргонодуговой сварке алюминия присадки. Если варят сплавы с магнием и марганцем (не подвергавшиеся термическому усилению), то используют присадочный пруток TIG ER-5356.

Другое дело — литейные сплавы, которые легировали добавкой кремния либо комбинации кремния и марганца.

В этом случае нужна присадка TIG ER-4043, она же AlSi5 или «Св-АК5». Подобный компонент позволит успешно исправить дефекты автомобильных и авиационных деталей различных видов. В качестве припоя часто берут проволоку алюминиевую DEKA ER4043 0,8 мм. На 1 упаковку приходится 0,5 кг заготовок

Важно: расход газа определяется именно диаметром применяемой проволоки

Оборудование для аргонодуговой сварки

Сварочные работы в защитной среде газов выполняют как с помощью фирменных установок предназначенных непосредственно для аргонно-дуговой сварки, так и модифицированными аппаратами, используемыми для других работ. В любом случае требуется использование специального оборудования, каждое из которых имеет свое предназначение. А именно:

Сопла для сварки – предназначены для обеспечения работы горелки. Так как при нагревании температура сварочной ванны достигает 2000° градусов, для производства сопел используется специальный термоустойчивый материал. Практика показала, что керамическое сопло для аргонодуговой сварки является оптимальным решением этого вопроса. В зависимости от толщины и структуры металла может понадобиться разный диаметр сопла.

Горелка – конструкция горелки для аргонодуговой сварки может быть разной в зависимости от метода проведения работ. Так, наложение сварного шва может осуществляться как плавящимся, так и неплавящимся электродом. Популярностью пользуется и сварочная горелка с водяным охлаждением. Водяное охлаждение горелки позволяет поддерживать необходимую температуру сварной ванны и не допускать перегрева электрода.

Осциллятор – это устройство обеспечивает поджигание дуги с помощью бесконтактного метода. Преимуществом использования осциллятора является возможность поддержания стабильной дуги при использовании переменного тока. Сварочные аппараты для аргонодуговой сварки не могут обойтись без осциллятора, так как зачастую приходится обрабатывать металлы без возможности непосредственного прикосновения электродом к поверхности. Особенностью осциллятора является то, что он генерирует разряд с мощностью 4-8 кВт, достаточный для пробивания дугового промежутка.

Балластный реостат – еще одна необходимая деталь. Балластный реостат помогает регулировать силу тока подаваемого на дугу и подбирать оптимальные параметры при работе с различными металлами. Профессиональный инверторный сварочный аргонодуговой аппарат для сварки, часто имеет встроенный балластный реостат. Не помешает реостат и при работе начинающего мастера на оборудовании бытового предназначения.

Источник напряжения – существуют как трансформаторные установки, так и сварочные инверторы для аргонно-дуговой сварки. Инверторный вариант более предпочтителен. Инвертор создает равномерное напряжение необходимой частоты, что обеспечивает условия для качественного наложения сварного шва. Инверторная установка аргонодуговой сварки может работать как от напряжения в 220В, так и от 380В. Максимальная производительность достигается при подключении к трехфазной сети.

Дополнительные аксессуары – для выполнения сварных работ на профессиональном уровне не обойтись без сварочного поста. Сварочный пост часто называют столом, но он представляет собой нечто большее. Сварочный пост – это полностью укомплектованное рабочее место, существенно облегчающее процесс выполнения работ и увеличивающий качество результата. Стол для сварки может быть как стационарным, так и передвижным. Пост обеспечивает своевременный отвод отработанных газов, а также дает защиту от случайного попадания искры на поверхности находящиеся рядом.

Практика показала, что начинающим мастерам легче удается достичь необходимого качества, используя сварочный инвертор аргонно-дуговой сварки. Инвертор дает стабильную дугу, что облегчает процесс нанесения сварного шва.