Особенности технологии сварки алюминия и его сплавов

Алюминий и его сплавы находят применение в разнообразных секторах, таких как авиация, судостроение, производство вагонов, строительство (включая использование в металлических конструкциях) и в упаковочной отрасли. Этот металл выделяется своими уникальными характеристиками: легкость, прочность, устойчивость к коррозии и эстетичный вид. Особенностью алюминия является его окисная пленка на поверхности, которая повышает его коррозийную устойчивость, особенно если в составе металла минимум примесей. Благодаря своей нетоксичности, алюминий также активно используется в пищевой промышленности.

В сравнении со сталью, алюминиевые сплавы обеспечивают снижение веса конструкций, однако сварка этих сплавов может быть затруднительной. Свариваемость алюминия зависит от ряда факторов, включая наличие окисной пленки, химический состав, теплопроводность, температуру плавления, плотность, а также коэффициенты теплопроводности и линейного расширения. Эти характеристики способствуют более высокой деформации сварных алюминиевых конструкций по сравнению со стальными, увеличивая их уровень деформации в полтора-два раза.

В процессе сварки алюминия и его сплавов важную роль играет понятие критического сварочного тока, зависящего от множества факторов, которые пока не полностью изучены. Превышение этого критического тока может привести к нарушению формирования сварного шва: появлению морщин на его поверхности и снижению глубины проплавления. Ключевые факторы, влияющие на величину критического тока, включают метод сварки, качество защиты сварочной ванны инертным газом, его состав и толщину свариваемых элементов.

Технологии сварки алюминия

Существуют различные технологии сварки алюминия, и каждая имеет свои сложности, например:

1. Присутствие и возможность образования тугоплавкого окисла Al2O3 усложняет сплавление кромок и приводит к загрязнению металла шва.
2. При высоких температурах прочность алюминия падает, что может вызвать проваление твердого металла в сварочной ванне, а также вытекание алюминия через корень шва из-за его жидкотекучести.
3. Высокий коэффициент линейного расширения и низкий модуль упругости приводят к увеличенной склонности к короблению, а уровень сварочных деформаций может быть в 1.5-2 раза выше, чем у стальных конструкций.
4. Требуется тщательная химическая и механическая обработка свариваемых элементов, поскольку растворимость газов в нагретом металле и их задержка при охлаждении могут вызвать пористость, снижающую прочность и пластичность металла.
5. Из-за высокой теплопроводности алюминия нужны мощные источники теплоты, а также может потребоваться подогрев участков шва до сварки.
6. Металл шва подвержен трещинам из-за грубой структуры и усадочных напряжений, возникающих в результате литейной усадки алюминия.

Процесс сварки алюминиевых конструкций методами плавления сталкивается со сложностями, такими как пористость, значительные сварочные деформации и образование горячих трещин. Отличная альтернатива - сварка в твердой фазе (например, давлением), которая не характеризуется подобными дефектами. Тем не менее, традиционные методы сварки давлением, такие как контактная, взрывная, магнитно-импульсная, трением, ультразвуковая и диффузионная, часто предназначены для создания уникальных конструкций и не всегда подходят для широкого спектра соединений.

В начале 1990-х годов Британский институт сварки (TWI) предложил новый метод - сварка трением с перемешиванием (Friction Stir Welding - FSW), получившая в России название сварки трением с перемешиванием (СГП). Этот метод, выполняемый без полного плавления свариваемой зоны, использует тепло, выделяемое во время трения, и демонстрирует ряд преимуществ, таких как:

• Высокие механические свойства соединений при различных нагрузках.
• Способность соединять сплавы, сложные для традиционной сварки.
• Стабильность и повторяемость параметров процесса.
• Малая остаточная деформация, даже при сварке длинных швов.
• Упрощение подготовки свариваемых кромок.
• Высокая производительность.

Процесс СГП формирует сварной шов с несколькими зонами, включая ядро сварки из термопластически деформированного материала и зону термического влияния. СГП обеспечивает высокое качество сварки, создавая микроструктуры, иногда более прочные, чем у исходного материала. Прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва часто достигает 90% от соответствующих характеристик основного материала. Сварка может проводиться в различных позициях, поскольку гравитация не играет роли, а перемещение инструмента или детали может осуществляться в разных направлениях.

Несмотря на успехи исследований СГП во многих странах, в России этот метод пока не получил широкого распространения. Однако, согласно последним публикациям, использование СГП открывает новые возможности для соединения разнородных материалов в промышленном производстве изделий специального назначения.