Cварка деталей из алюминиевых сплавов

Для изготовления корпусных деталей дизелей типа B2-300 и Д6 применяют литейные (Ал-1 и Ал-2) и деформируемые (AK-1, AK-2 и другие) алюминиевые сплавы. При ремонте этих деталей применяют ацетилено-кислородную и электродуговую сварку. Так, при ремонте картеров приходится заваривать трещины и наплавлять установочные поверхности под вкладыши.

При сварке алюминиевых сплавов встречаются известные трудности. В процессе нагрева алюминиевый сплав интенсивно окисляется, и на поверхности детали образуется тугоплавкая (t_пл≈2050° С) пленка окислов А1₂О₃. Окислы алюминия затрудняют процесс сплавления присадочного материала с основным. Кроме того, образовавшаяся на поверхности наплавленного металла пленка окислов препятствует выходу газов из ванночки расплавленного металла. Для удаления пленки окислов при сварке применяют флюсы и электродные покрытия, растворяющие или связывающие окись алюминия. В расплавленном алюминиевом сплаве интенсивно растворяется водород, образующийся в процессе сварки в результате взаимодействия влаги с расплавленным алюминием.

Водород практически не растворяется в твердом алюминиевом сплаве. Поэтому в момент затвердевания наплавленного металла он выделяется в виде пузырьков. Пузырьки газа, выделяющиеся из кристаллизующегося металла, не успевают выйти из ванночки, и поэтому в металле образуются поры. Всплывание пузырьков водорода вверх уменьшается по мере повышения вязкости расплавленного алюминиевого сплава. Последнее происходит в результате насыщения сплава натрием. При высокой температуре натрий образуется в результате взаимодействия алюминия с фтористым натрием. Вследствие этого ухудшаются механические свойства наплавленного металла. Интенсивность поглощения газов сплавом увеличивается с повышением содержания кремния. Поэтому при сварке деформируемых алюминиевых сплавов, содержащих до 10% Si, больше образуется пор и раковин.

Для уменьшения пористости металла необходимо уменьшить содержание влаги в порах наплавляемой детали, во флюсе и в электродной обмазке. Для этого рекомендуется прокаливать электроды и предварительно подогревать деталь. Кроме того, применяют меры, уменьшающие насыщение расплавленного сплава натрием. Для этого при электродуговой сварке в состав электродного покрытии вводят фтористый алюминий, связывающий фтористый натрий.

Алюминиевый сплав обладает большим коэффициентом усадки, поэтому при охлаждении детали возникают значительные внутренние напряжения, вызывающие появление трещин. Внутренние напряжения возникают в момент застывания металла также потому, что между кристаллами алюминия образуется некоторое количество эвтектики. Последняя затвердевает при более низких температурах, чем твердый раствор. Поэтому происходит дендритная ликвация, вызывающая появление микротрещин по границам зерен твердого раствора. Сплав с содержанием 1—2% кремния наиболее склонен к образованию трещин, при увеличении содержания этого элемента до 3—4% возможность образования трещин уменьшается. Это объясняется тем, что при повышенном содержании кремния коэффициенты линейного расширения кристаллов и эвтектики примерно одинаковы.

Для того чтобы предупредить образование трещин в наплавленном металле, вызванных усадкой и дендритной ликвацией, применяют присадочной материал или электроды с содержанием кремния более 3%. При сварке алюминиевого сплава интенсивно испаряются цинк и магний. С уменьшением содержания этих элементов ухудшаются  механические свойства сварного шва. Потери цинка и магния в наплавленном металле восполняются за счет повышенного содержания этих компонентов в стержнях (электродах).

Из-за повышенной теплопроводности алюминиевого сплава глубина его проплавления при сварке относительно невелика, поэтому детали из алюминиевых сплавов наплавляют и сваривают в несколько проходов.

Алюминиевый сплав, нагретый до высокой температуры, обладает низкой механической прочностью. Это объясняется слабой связью между кристаллами при нагреве алюминиевого сплава. Поэтому нельзя допускать перегрев детали и стремиться уменьшить зону термического влияния.

При разработке технологического процесса сварки и наплавки деталей из алюминиевых сплавов необходимо учитывать их особенности. Литейные алюминиевые сплавы типа Ал-1 и Ал-2 наиболее склонны к образованию пор и раковин. При сварке деформируемых сплавов (типа Ак-1 и Ак-2) наиболее вероятно образование трещин.

На ремонтных предприятиях детали из алюминиевых сплавов чаще наплавляют ацетилено-кислородным пламенем. Мощность горелки принимают из расчета 100—125 л/час ацетилена на 1 мм толщины детали. Пламя должно быть нормальным или с небольшим избытком ацетилена. Ядро пламени должно находиться на расстоянии 6—10мм от сварочной ванночки. Сварку ведут в нижнем положении, левым способом. В качестве присадочного материала применяют стержни диаметром 4—5 мм, отлитые из силумина с содержанием 4,5—5,5% кремния; 7,0—9,0% меди и алюминия — остальное.

Наиболее эффективным является флюс АФ-4 следующего состава: 28% NaCl; 50% KC1; 14% LiCl и 8% NaF. Этот флюс обеспечивает активное растворение тугоплавких окислов и защищает металл от окисления. При включении в состав флюса фтористого натрия в результате сложных химических реакций образуется криолит, который является активным физическим растворителем окиси алюминия.

В условиях сравнительно низких температур ацетилено-кислородного пламени реакции взаимодействия алюминия с фтористым натрием протекают медленно. Поэтому наличие фтористого натрия в составе флюса не способствует насыщению наплавленного металла водородом. Флюс разводят на воде, тонким слоем наносят на наплавляемую поверхность и им же покрывают поверхность присадочного прутка. Кромки деталей перед сваркой очищают до блеска и промывают 10%-ным водным раствором NaOH, а затем водой.

Литые детали ложной конфигурации предварительно подогревают до температуры 200—300° С. После сварки шов промывают теплой водой и очищают металлической щеткой.
Однако наиболее производительна и качественна электродуговая наплавка алюминиевых сплавов металлическими электродами. При этом способе значительно уменьшается зона термического влияния. Это способствует уменьшению внутренних напряжений в металле. Электроды из сплавов Ал-4 или Ак-1 рекомендуется покрывать обмазкой МАТИ-2 (табл. 7), которая обеспечивает получение плотного и прочного шва. Рекомендуется также обмазка С-1, разработанная канд. техн. наук Ю. E. Гнедовским.

Криолит (Na₃AlF₆) и фтористый алюминий являются наиболее активными растворителями окиси алюминия. Толщина обмазки составляет 0,7—1,0 мм на сторону для электродов диаметром 6 мм а 1—1,2 мм для электродов диаметром 8 мм.

Поверхности, подлежащие наплавке (сварке), тщательно обезжиривают, зачищают до металлического блеска и подогревают до температуры 170—190° С. Наплавку ведут на постоянном токе при обратной полярности. Для обеспечения устойчивого горения дуги рекомендуется в сварочную цепь включать балластный реостат (0,3 ом) и стабилизатор дуги. Режим наплавки рекомендуется следующий: напряжение 20—24 в, ток 30—35 а на 1 мм диаметра электрода. Диаметр электрода принимают равным толщине свариваемого металла (слоя наплавки).

После сварки деталь медленно охлаждают; с наплавленной поверхности удаляют шлак и последовательно промывают горячей водой и 10%-ным раствором серной кислоты.

Таблица 7. Составы обмазок в %