Почему алюминиевые сплавы трудно сваривать?

Свариваемость представляет собой совокупный показатель устойчивости материала к растрескиванию, безопасности сварной конструкции и экономичности предполагаемого применения изделия. Материал считается свариваемым, если его химические, металлургические и физические свойства соответствуют процессу сварки, а сварной шов отвечает требуемым параметрам прочности.

Поскольку алюминий и его сплавы обладают характерными физико-химическими свойствами, при их сварке возникают следующие сложности.

1. Быстрое окисление

Алюминий легко окисляется на воздухе и во время сварки. Образующийся оксид алюминия (Al₂O₃) является устойчивым и его трудно удалить. Его температура плавления составляет около 2 500 °C, что значительно превышает температуру плавления алюминиевых сплавов, равную примерно 660 °C. Во время сварки оксидная пленка препятствует плавлению и сплавлению основного металла. Поскольку её плотность примерно в 1,4 раза превышает плотность алюминия, она не выплывает из сварочной ванны и может приводить к неполному сплавлению и образованию шлаковых включений. Кроме того, она поглощает влагу, что может вызывать пористость сварного шва.

Поэтому перед сваркой необходимо удалить оксидную пленку путем тщательной химической или механической очистки поверхности, а также предотвратить повторное окисление в процессе сварки.

2. Склонность к пористости

К потенциальным газообразующим веществам относятся водород, окись углерода и азот. Азот нерастворим в жидком алюминии, а алюминиевые сплавы не содержат углерода, который мог бы приводить к образованию пор из окиси углерода. Таким образом, водород является тем газообразующим веществом, которое вызывает наибольшую озабоченность. Его растворимость в жидком алюминии составляет 7 мл/кг, но при температуре затвердевания 660 °C — всего 0,4 мл/кг. Большая часть водорода, первоначально растворенного в жидком металле, выпадает в осадок и образует пузырьки по мере затвердевания сварного шва. Особенно подвержены этому явлению чистый алюминий и коррозионно-стойкие алюминиевые сплавы.

Необходимо ограничить проникновение водорода в основной и присадочный металлы, а также использовать защитный газ высокой чистоты. Перед сваркой с заготовок, проволоки и электродов необходимо тщательно удалить оксиды, влагу и масло. Перерывы в работе следует свести к минимуму. Рекомендуется использовать мощные параметры сварки: при сварке TIG применяется высокий ток при относительно высокой скорости продвижения, тогда как при сварке MIG используется высокий ток при более низкой скорости продвижения, чтобы дольше поддерживать жидкое состояние сварочной ванны и дать возможность водороду выйти из перенасыщенного твёрдого раствора.

3. Риск прожига

Алюминий не демонстрирует заметного изменения цвета при переходе из твёрдого состояния в жидкое, что затрудняет оценку температуры ванны. Его механическая прочность также снижается с ростом температуры и составляет всего 10 МПа при 370 °C. В связи с этим материал может оказаться неспособным выдержать вес расплавленного металла, что приведёт к нарушению формы шва, его разрушению или прогоранию.

Обычно используется опорная планка. Кроме того, необходимо тщательно контролировать нагрев, по возможности применять сварку в горизонтальном положении, а зажигание и гашение дуги следует производить на заходных и отходных участках.

4. Склонность к термическому растрескиванию

Коэффициент линейного расширения алюминия почти в два раза превышает аналогичный показатель для стали, а усадка при затвердевании также примерно в два раза выше, что приводит к возникновению значительных сварных напряжений. Состав сплава также оказывает существенное влияние: примеси, превышающие установленные пределы, приводят к образованию в сварочной ванне большего количества низкоплавких эвтектических компонентов. Все эти факторы в совокупности способствуют образованию горячих трещин.

Трещины чаще всего возникают в местах зажигания дуги, погашения дуги, внезапного прерывания дуги, при выполнении прихваточных сварных швов и ремонтных сварных швов. Поэтому для их предотвращения необходимо снизить сварочные напряжения, скорректировать состав сварочного металла, улучшить условия затвердевания сварочной ванны, выбрать подходящий технологический процесс и обеспечить контроль параметров.

5. Прочность соединения ниже прочности основного металла

Тепло, выделяемое при сварке, размягчает зону термического влияния, снижая прочность и ухудшая механические свойства. В результате прочность сварного соединения может не соответствовать прочности основного металла. Для получения стыкового соединения с одинаковой прочностью необходимо увеличить толщину металла в зоне сварки.

6. Снижение коррозионной стойкости после сварки

Соединения в термообрабатываемых алюминиевых сплавах, таких как дуралюминий, могут значительно терять коррозионную стойкость. Чем больше неоднородность микроструктуры, тем сильнее снижается коррозионная стойкость. Чистота и плотность сварочного металла также имеют значение: обилие примесей, крупное зерно и выделение хрупких фаз, таких как FeAl₃, заметно снижают коррозионную стойкость и могут вызывать как локальное поверхностное разрушение, так и межкристаллитную коррозию. Сварочные напряжения являются ещё одним важным фактором.

Коррозионную стойкость можно повысить следующими способами:

1. Снижение неоднородности состава и микроструктуры за счет легирования сварного шва с помощью подходящих присадочных материалов, измельчения кристаллов, предотвращения дефектов, корректировки технологического процесса с целью ограничения зоны термического влияния и перегрева, а также проведения термообработки после сварки.
2. Снятие сварочных напряжений; локальные растягивающие напряжения на поверхности можно, например, уменьшить с помощью точечного ковкования.
3. Нанесение защитных покрытий, таких как анодирование или другие виды покрытий.