Сварка алюминия

Сварку алюминия и его сплавов сложно выполнять из-за некоторых особенностей. Легкий металл характеризуется малым удельным весом — 2,7 г/см³, высокой тепло- и электропроводностью, наличием водорода. В зависимости от процентного содержания примесей металл делится на чистый и технический. В сварных конструкциях применяется алюминий из специально разработанных свариваемых сплавов. Перед тем как ознакомиться с существующими технологиями, нужно знать, какие негативные факторы влияют на процесс сваривания.

Причины плохой свариваемости алюминия

• Поверхность алюминия при взаимодействии с внешней средой покрывается окисной пленкой. Такой слой необходим для защиты металла от коррозии. Но именно он и создает главную проблему при сваривании алюминиевых деталей. Сложность заключается в большом разбеге температур плавления. Окисная пленка плавится при 2050 градусах, алюминий — при 660 градусах. Этот показатель в 2 раза меньше, чем у стали (1371°С). Тугоплавкой окисной пленкой покрываются расплавленные капли металла в сварной зоне, из-за чего не удается сформировать сплошной шов.
• В отличие от других свариваемых металлов, у алюминия при нагреве отсутствует переходное пластическое состояние — из твердого он сразу приобретает жидкую консистенцию.
• Легкий металл при нагревании не изменяет цвет, что негативно сказывается на управлении сварочным процессом.
• Алюминию и его сплавам присущ высокий коэффициент линейного теплового расширения и теплопроводности. По сравнению со сталью первый показатель в 2 раза превышает, второй — в 3 раза. Металл быстро нагревается и также быстро остывает. В затвердевающем шве создается внутреннее напряжение, что чревато значительной усадкой, деформированиями, появлением трещин.
• В составе алюминиевых сплавов высокое процентное содержание кремния, что снижает качественные характеристики шва — при охлаждении появляются трещинки.

Методы сварки алюминия

Современная сварка алюминия предусматривает использование разного оборудования и приспособлений, которыми задаются параметры сварочного процесса. От выбранной технологии зависят качественные характеристики и внешний вид стыка.

Выполняется сварка:

• Электросваркой (электродом ММА).
• Полуавтоматом.
• Аргоном.
• Инвертором.

Независимо от применяемого метода сваривания, главная задача заключается в разрушении тугоплавкого оксидного слоя, который делает металл трудносвариваемым. Добиться прочной стыковки можно при соблюдении всех требований, предъявляемых к сварке алюминиевых деталей.

Технология сварки алюминия

Сложность сваривания алюминиевых полуфабрикатов заключается в механических показателях сырья. Высокий предел текучести затрудняет управление сварочной ванной. При соединении алюминиевых деталей используют теплоотводящие прокладки.

Из-за легкой окисляемости металлопроката появляется тугоплавкая пленка. Она затрудняет соединение шва. Предотвратить ее образование помогает защита рабочей зоны от окружающего воздуха. Усадка материала может спровоцировать деформацию готового продукта. Высокая теплопроводность алюминия требует рабочий ток высокого значения.

Технология сварки алюминия включает подготовительные работы и сам процесс. На первом этапе выполняется подготовка деталей. Требования к зазорам, кромкам поверхностей изделий определяется ГОСТом.

Детали, которые требуется соединить, очищают от пыли, грязи, масляных пятен. Поверхность изделий обезжиривают растворителем, ацетоном или любым другим химическим средством. Независимо от толщины обрабатываемого листа проводится разделка кромок. Если игнорировать этот этап, шов получится некачественным.

Перед процессом сваривания деталей механическим путем удаляют оксидную пленку. При этом используют вспомогательные инструменты: напильник, наждачную бумагу, щетку с металлической щетиной. Металлопрокат подвержен быстрому окислению, поэтому этот этап проводится непосредственно перед сваркой. Процесс можно выполнить химическим способом с использованием каустической соды. После такой обработки детали промывают, затем просушивают.

Сварку проводят одним из трех способов:

• штучными электродами;
• плавящимся электродом в среде защитных газов;
• вольфрамовыми электродами в зоне защитных газов.

Тип сварки подбирают с учетом деталей, назначения материалов и условий работ. Первый способ подразумевает проведение работ в домашних условиях. Остальные методы используются для сваривания ответственных конструкций на производстве.

Сварка алюминия электродом

Когда нет возможности задействовать спецоборудование используется сварка алюминия электродом. Такой вариант бюджетный: не требует больших вложений и доступен каждому. Он эффективно используется в небольших мастерских, домашних и полевых условиях. Главное правильно подобрать способ и параметры сварки, а также марку расходного материала (электродов, присадки). 

Выполняются сварочные работы плавящимися электродами следующих марок: 

• для технически чистого алюминия предназначены покрытые стержни — ОК 96.10 (с примесями магния (AlMg), кремния (AlSi) или марганца (AlMn)), ОЗА-1, ОЗАНА-1 (с покрытием солевым);
• для алюминиево-кремнистых сплавов используются расходники ОК 96.50, ОЗА-2, ОЗАНА-2.

Перед тем, как приступить к сварочным работам, с поверхности удаляются разного рода загрязнения и окисный пленочный слой. Механическая очистка выполняется щеткой металлической, для обезжиривания применяется любой органический растворитель. Подойдет уайт-спирит, ацетон и др. После тщательной очистки поверхности качество сплавления алюминиевых изделий значительно повышается.

Ручная дуговая сварка алюминия электродом (ММА)

Сварка изделий из алюминия в режиме ММА выполняется при постоянном токе обратной полярности. К свариваемой заготовке подключается «минус», а к электродному держателю «плюс». Такому шву не предъявляются высокие технические требования. Для домашней сварки алюминия оптимальный вариант — инвертор. С помощью простого аппарата качественно соединяются алюминиевые детали. Металл является легкоплавким, поэтому при выборе инвертора для электросварки дугой не имеет особой важности такой показатель как мощность.

Существует несколько нюансов, о которых необходимо знать, выполняя сварочные работы:

• Ручное сваривание покрытыми стержнями подходит для неответственных конструкций из алюминия и сплавов толщиной до 4 мм.
• Сила тока рассчитывается по формуле — на 1 мм расходника 25-30 А.
• Химический состав расходного материала должен полностью соответствовать сплаву свариваемой конструкции. Информация о составе и марке расходника указана на упаковке.

Внимание! В домашних условиях определить марку алюминиевых деталей практически невозможно. Поэтому сварщикам приходиться работать методом подбора. Потребуется сжечь несколько электродов, чтобы подобрать оптимальный ток и определиться со спецификой сварки.

• Особое внимание уделяется толщине стержня. Электрод может быть толще свариваемой детали не более чем на 0,1 см. Соединение тонких конструкций более толстым стержнем приведет к тому, что металл будет пропален насквозь.
• Расходный материал подвергается прокалке для удаления излишней влаги. Оптимальный температурный режим +180°С …+200°С, если температура ниже, то время увеличивается. Неоднократная процедура прокалки снижает технические характеристики расходников. Поэтому упаковка должна храниться в сухом месте, а для работы желательно брать только необходимое количество стержней.
• Для снижения риска деформации стыка и образования трещин предварительно прогревается рабочая поверхность. Изделиям из тонкого металла и средней толщины достаточно температуры для прогрева +250…+300°С, при увеличенных параметрах показатель может достигать +400°С.

Внимание! Некоторые производители указывают на упаковке оптимальную температуру прогрева рабочей поверхности. Если такие данные имеются, то следует ориентироваться на них.  

Рабочее положение расходного материала вертикальное, возможен небольшой наклон. Движения должны производиться плавно, конец электрода непрерывно перемещается по шву. Сваркой предусмотрен один проход на короткой дуге при отсутствии поперечных колебаний. На завершающем этапе очищается шов от шлаковых наслоений. Шлак сбивается молотком и удаляется металлической щеткой, мелкие остатки смываются водой.

Отрицательные моменты такой технологии заключаются в:

• недостаточной прочности сварного соединения;
• наличии брызг от расплавленного металла в процессе работы;
• сложным отделением шлака от стыка, что может привести к нарушению целостности поверхности и образования коррозии в поврежденных местах.

Ручная дуговая сварка угольным электродом

Сварка алюминия угольным стержнем актуальна при создании неответственных конструкций, без несущих нагрузок. Режимом сварки предусмотрен постоянный ток прямой полярности, «минус» подается на стержень. Электрическая дуга возбуждается между металлической поверхностью и угольным расходником, которому присуще медленное испарение. Из-за небольшой разницы в градусах плавления (3800°С) и кипения (4200°С) процесс плавления отследить практически невозможно.

Ручная дуговая сварка алюминия угольным стержнем выполняется:

• Без присадочного материала. Электродугой оплавляются кромки свариваемых деталей. Этот способ подходит для работы с тонким металлом от 1,5 до 3 мм. Технология часто применяется благодаря простоте и быстрому процессу сваривания.
• С присадкой. Расходник подбирается под состав металла и его толщину (2- 8 мм). Обязательно используются пастообразные флюсы (АФ-4А, №3), которые наносятся как на присадку, так и на рабочую поверхность. При сваривании металла от 2,5 мм осуществляется разделка кромок. При толщине свыше 8 мм кромки подогреваются электродугой, шов накладывается в 2-3 слоя. Присадочный материал предварительно укладывается в разделку кромок.

Внимание! Угольным расходником выполняется сваривание стыковых и угловых швов.

Ручная дуговая сварка в инертных газах электродом вольфрамовым

Благодаря технологии AC TIG достигается высокая прочность шва. В дуговой сварке алюминия задействуются неплавящийся стержень на основе вольфрама 1,6-5,0 мм и присадка 1,6-4,0 мм. Состав расходника может включать вольфрам чистый либо активированный.

Особенности ручной дуговой сварки электродом из вольфрама:

• Для создания защиты от внешней среды применяются аргон и гелий, либо их смесь.
• Периодичность подачи и отключения инертного газа регламентировано — 5-7 секунд до того, как появится дуга, и после ее обрыва.
• Длина электродуги колеблется в диапазоне 1,5-2,5 мм.
• Угол наклона между поверхностью изделия и стержнем — 70-80 градусов, между электродом и присадкой — 90 градусов.
• Процедура сварки предусматривает наличие теплоотводящей прокладки. Эту функцию выполняет медная или стальная пластина, которая размещается под алюминиевой деталью. Актуально ее применение при работе с тонким металлом, так как прокладка исключает образование сквозных дыр. Прокладка также позволяет избежать протеканий жидкого металла и экономит энергию, за счет чего ускоряется процесс сваривания.
• Сварочная ванна должна быть минимальных размеров.
• Присадка вводиться сразу в созданную сварочную ванну. Замедление чревато прожиганием сквозного отверстия в металле.
• Горелка перемещается плавно по шву, за присадкой.

Внимание! Подача присадочного материала осуществляется короткими движениями возвратно-поступательно, исключены поперечные движения расходников.

Источниками питания для сварки алюминия аргоном выступают:

• сварочные трансформаторы, работающие на переменном токе;
• универсальные агрегаты, работающие от переменного и постоянного тока.

Электродугой, образующейся между металлической поверхностью и неплавящимся вольфрамовым стержнем, расплавляются кромки свариваемого изделия и присадки. Защитная газовая среда, подаваемая горелкой в зону сварки, преграждает доступ кислорода к горящей электродуге, сварочной ванне, торцам вольфрамового стержня и присадочного материала, наплавляемому шву.

Аргоновая сварка алюминия в сравнении с другими технологиями имеет ряд достоинств:

• Температура нагрева свариваемых деталей незначительная, что облегчает работу с заготовками сложной конфигурации.
• Проплавка стыка по всей длине проходит на одинаковую глубину.
• Стыковочный шов получается прочным, однородным и очень аккуратным. В нем отсутствуют примеси, поры, инородные включения.

Главный недостаток сварки алюминия аргоном заключается в задействовании сложного основного оборудования (аппарата сварочного) и дополнительного (газового баллона, устройства подачи присадочной проволоки). Такая система требует правильной настройки. Важными параметрами являются равномерность подачи присадки и скорость. При неравномерном поступлении расходника в зону сварки, работа сварочной электродуги становится прерывающейся, в результате повышаются затраты на электроэнергию и инертный газ.

Сварка алюминия полуавтоматом

Выполняется сварка алюминия полуавтоматом при наличии защитной газовой среды и с использованием специальной присадочной проволоки, либо без газа с порошковым расходником. Технология DC MIG основана на применении импульсного оборудования с обратной полярностью, создающего высокое напряжение. В результате воздействия мощного импульса в месте соединения происходит разрушение окисной оболочки.

Сварка алюминия полуавтоматом с защитной газовой средой достаточно сложная, требует не только спецоборудования, а также определенных навыков. При работе с таким аппаратом не предусмотрены регламентированные настройки. Главным параметром для сварщика является толщина заготовки. В домашних условиях для алюминия 2,0 мм применяется напряжение 15В. Сила тока регулируется в пределах 100-150А. Показатель зависит от состава и процентного содержания примесей в металле. В ходе рабочего процесса корректируется скорость подачи присадочной проволоки.

Внимание! Технология MIG при сварке алюминия предусматривает применение оборудования с обратной полярностью. На деталь выводится минусовая клемма, на подающий держатель – плюсовая.

Перед свариванием алюминия выполняется предварительный прогрев деталей газовой грелкой до +150°С…+190°С. Применяются также теплоотводящие прокладки. При выборе алюминиевой проволоки учитывается химический состав заготовок, чтобы максимально приблизить температуру плавления. Диаметр может варьировать от 0,8 до 1,6 мм. Для алюминиевых сплавов с содержанием кремния менее 5% применяются присадка марки ER4043 и ER5356.

Сварка алюминия полуавтоматом без инертного газа

Сварка алюминия полуавтоматом без применения газа выполняется различными способами безгазовой защиты. Самозащитная среда в сварочной ванне создается порошковой проволокой, слоем флюса, шлаком, образовавшимся при сгорании электрода. Расходник подбирается по диаметру и составу алюминиевого сплава.

Самозащитный флюсовый и порошковый расходник представляет собой легкоплавкую металлическую трубку, заполненную флюсом или порошком на основе силикатов, кремниатов. При оплавлении трубки содержимое не сгорает и не плавится, а равномерно высыпается в зоне сварной ванны. Порошкообразный состав отторгается расплавленным алюминием и образует на поверхности пленочный слой, за счет чего предупреждается взаимодействие металла с внешней средой.

Аппарат сварочный без газа состоит из переносного инвертора, заземления, расходника и присадки. Сварка алюминия инвертором выполняется встык. Шов делается тонким — шириной 1-1,5 мм.

Сварка алюминия инвертором

Для сваривания алюминиевых заготовок этот метод считается оптимальным. Процесс выполняется в специальной оболочке из газа, которым зачастую выступает аргон. Такая технология соединения деталей из алюминия подразумевает использование вольфрамовых электродов с неплавящейся структурой. Важным критерием выступает определение силы тока, который подбирается с учетом плавильных свойств металла.

Перед выполнением операции электроды прокаливают в предназначенной для этого печи. Во время сварочных работ их поверхность периодически очищают. Эта операция необходима, так как на них скапливаются наросты, состоящие из окисей вольфрама. Если их не удалять, качество сварного шва значительно ухудшится.

Для удаления наростов сварщик использует абразивный диск. Он выполняет заточку электродов, делая поверхность гладкой и чистой. На деталях отсутствуют заусенцы и канавки.

Во время сварки накладывают шов не спеша, обеспечивая необходимую глубину провара элемента. Во время процедуры торопиться не следует. После наложения шва подачу газа не прекращают в течение 5 секунд. Такая особенность предотвратит повреждение, деформацию шва.

Сварка алюминия инвертором происходит с помощью функционального устройства, к которому предъявляются минимальные требования. Оборудование отличается по конструкции, модификациям. Самыми востребованными являются полуавтоматические агрегаты и электродуговые модели устройств. Инверторы обеспечивают стабильное напряжение, высокое качество шва.

Работы могут проводиться в промышленном производстве или быту при наличии соответствующего оборудования, расходников, соответствующих умений мастера.

Домашняя сварка алюминия

Сварку алюминия можно проводить самостоятельно в домашней обстановке. Для этого не требуется специального промышленного оборудования, достаточно иметь под рукой сварочный аппарат. Соединение заготовок выполняется с применением электродов, на которых указана аббревиатура «MMA». Защитным газом выступают: аргон, пропан, ацетилен и другие. Кроме того, потребуется порошковый флюс. Он поможет убрать оксидную пленку и предотвратит прилипание электрода.

Перед свариванием предварительно очищают металлическую заготовку от пыли, грязи и масел. Удобно проводить процедуру очистки химическим способом, в который включены:

• обезжиривание поверхности;
• травление щелочью;
• промывка водой;
• пассивирование раствором азотной кислоты;
• повторная промывка;
• просушивание заготовок.

Далее проводится разделка кромок, если толщина листов превышает 4 мм. У полуфабрикатов толщиной не более 1,5 мм выполняют отбортовку торцов. С помощью инструментов зачищают свариваемую поверхность.

Домашняя сварка алюминия одинакова для всех способов. Изначально полуфабрикаты прогревают до температуры 150  Настраивают агрегат на нужный режим. Далее сварщик зажигает дугу контактным или бесконтактным способом. Создает сварочную ванну так, чтобы в зоне прогрева образовалось зеркальное пятно расплавленного металла. Далее работник подает присадку, сваривает детали. При этом применяется ток обратной полярности, размер дуги составляет 2-6 мм.

Сварка алюминиевых сплавов – сложный технологический процесс, который должен выполняться опытным сварщиком. Перед выполнением работ стоит проанализировать свои возможности, учесть технологические нюансы и тонкости сварки, а затем приступать к процессу. Сваривание конструкций должно выполняться со строгим соблюдением техники безопасности с использованием защитных средств.

Подведение итога

Каждый описанный способ позволяет произвести сварку алюминия и его сплавов. Выбор технологии индивидуальный, зависит от требований, предъявляемых к прочности и качеству сварного шва.