Сварка алюминия: особенности и технологии

Алюминий – популярный металл, который используется как в промышленных масштабах, так и в частном строительстве или ремонте. Он легкий, имеет привлекательный внешний вид, отлично сохраняет тепло и устойчив к внешним воздействиям. Но сварка алюминия отличается от других металлов и требует особенного подхода. Рассмотрим технологии сварки алюминия.

Почему могут возникнуть трудности? 

Если сварщик не учитывает особенности металла, с которым ему предстоит работать, то в месте соединения может получиться некачественный сварной шов. Рассмотрим свойства алюминия, которые усложняют процесс сварки: 

• У алюминия высокая жидкотекучесть. Это значит, что в расплавленном виде во время сварки материал может растекаться, из-за чего сложно управлять сварочной ванной. Для избежания этого специалисты используют теплоотводящие прокладки и другие методы охлаждения.
• Под воздействием кислорода на поверхности алюминия моментально появляется оксидная пленка. Это препятствует получению прочного соединения. Чтобы этого избежать, сварщики используют технологии с подачей инертного газа, который защищает шов от кислорода. 
• Уже в самом начале работы с материалом появляются трудности из-за наличия оксидной пленки. Она начинает разрушаться только при 2050 градусах, в то время как температура плавления металла – 660 градусов. Сильно повышать температуру нельзя, так как велика вероятность прожига изделия. Поэтому пленку удаляют травлением. 
• У алюминия есть достаточно большой процент усадки. Иными словами, после застывания шва соединение может немного просесть, выглядеть иначе, деформироваться.
• Нужно учитывать, что металл склонен к образованию пор и трещин на месте сваривания.
• У алюминия отличная теплопроводность. Из-за этого на аппарат нужно подавать ток примерно в 6 раз больше, чем при сварке черного металла. Или можно использовать технологию предварительного прогрева материала. 

Однако все эти нюансы легко можно преодолеть, если использовать правильное оборудование и технологию. Просто если сварщик раньше работал только по стали, ему будет непросто перейти на новый металл без практического обучения или освоения базовой теории. 

Как подготовить алюминиевую поверхность к сварке? 

Расскажем, как снизить риск плохого сварного соединения за счет подготовительных работ. Не игнорируйте подготовку, от нее зачастую зависит половина успеха. 

Подготовительные работы: 

• Выберите чистое и сухое помещение. Обязательно должна быть вентиляция, но поток воздуха не более 0,2 м/с. При высоком ветре могут быть подтеки, помним про жидкотекучесть материала. 
• Механическая или химическая обработка заготовки перед сваркой с целью снятия оксидной пленки.
• Обработка сварочной проволоки перед ее использованием. 

Подробнее остановимся на подготовке заготовок и проволоки. Самым простым способом обработки считается механический. Он дает неплохие результаты и часто применяется в быту. Нужно обработать кромки заготовки спиртом, затем потереть стальной проволочной щеткой. После этого нужно снова протереть кромку спиртом или ацетоном. 

Для чего нужно очистить поверхность ацетоном (а лучше всё-таким специальным очистителем для алюминия)? Это нужно для устранения с поверхности масел и других загрязнений. Они содержат водород, а именно он является причиной пористости шва и, как следствие, появления трещин.

А вот щетка с тонкой щетиной из нержавеющей стали поможет убрать оксидную пленку. Конечно, она снова появится на заготовке за считанные минуты, но уже гораздо более тонкая. А вот прежнюю плотную пленку получится счистить с заготовки мягкими движениями щетки. 

Другой вариант подготовки алюминиевых заготовок – химический. Это обработка поверхности и кромок гидроксидом натрия для снятия оксидной пленки с последующим использованием азотной кислоты для осветления. Процесс называется травлением. 

После травления важно промыть заготовку в горячей воде (50-60 градусов), а затем в холодной. Перед сваркой алюминиевую деталь нужно тщательно просушить.

В такой же подготовке нуждается и присадочная алюминиевая проволока. Её тоже подвергают химическому травлению и последующей сушке. 

Подготовленные заготовки и проволоку лучше использовать сразу, но можно хранить в течение 12 часов в сухом месте. Если планируется проводить сварочные работы в несколько этапов, то перед каждым процессом следует зачищать поверхность ацетоном и металлической щеткой. Например, если вы завариваете алюминиевую трубу, то можно пройтись только по кромке. 

Еще одна важная подготовительная работа – правильная разделка кромок. В отличии от нержавеющей стали, алюминий имеет большую скрытую теплоту плавления. Из-за этого сварочная дуга должна покрывать большую область, чтобы достичь надежного соединения. При сварке вольфрамовым электродом сварочная ванна не очень глубокая, она образуется в основном за счет самого расплавленного металла. В то время как при сварке плавящимся электродом ванна получается больше, и она значительно сильнее углубляется в толщу алюминия. Из-за этого по периферии ванны влияние дуги недостаточное и, как следствие, растет риск несплавления.  

Чтобы этого избежать, при сварке плавящимся электродом нужно подготавливать кромки так, чтобы можно было пройти повторно по периферии сварочной ванны с наложением дополнительных валиков. Приведем примеры разделки заготовок:

• Для алюминиевой ленты толщиной 1 мм – кромки без скоса с зазором до 1 мм. 
• Для алюминиевого листа толщиной 2 мм – кромки без скоса с зазором до 2 мм. 
• Для алюминиевой плиты толщиной 10 мм – притупление до 2 мм, скос 65-70 градусов, зазор до 5 мм. 

Однако вне зависимости от толщины детали, самым эффективным способом является двусторонняя сварка. Если такой возможности нет, то важно уделить особенное внимание подготовке кромок. 

Технологии сварки алюминия

Существует много способов сварки. Они отличаются по используемому оборудованию (ручная и полуавтомат), а также по расходным материалам – типу электродов, сварочной проволоки и инертному газу. Некоторые технологии используются преимущественно на заводах, другие чаще в быту. Все они имеют свои особенности и разное качество шва.

Сварка плавящимися и неплавящимися электродами

Такой метод применяется редко, он подходит в случаях, если: 

• нет возможности транспортировать оборудование, то есть работа происходит в полевых условиях; 
• сваривается 1-2 элемента и нет необходимости приобретения специального оборудования. 

Существует несколько типов электродов для алюминия, в зависимости от покрытия и присадок. Электрод на основе алюминиевых сплавов, например, ESAB OK 96.40, применяют в технологии ММА. Такие электроды предназначены для алюминия марки АД31 и подобных. 

Что нужно знать о сварке по технологии ММА:

• Лучше использовать обычный трансформатор, а не инверторный источник, так как не каждый из них подойдет. 
• Варить нужно постоянным током с обратной полярностью. Очень редко варят на переменном токе, но это менее продуктивно. 
• Ток нужно рассчитывать из принципа: на 1 мм электрода 20-30 ампер. 
• Предварительно нужно прогреть деталь до 200 градусов.

Особенности сварки: нестабильная дуга, которая норовит погаснуть; электрод плавится в несколько раз быстрее, чем стальной; при любых погрешностях дуги может образоваться кратер. Но даже при идеальной дуге и скорости шов получается достаточно низкого качества с образованием большого количества шлака, который нужно сразу удалять. Еще один нюанс: покрытые электроды подходят только для соединения деталей с толщиной не более 4 мм. 

Можно использовать и угольный электрод. Однако с ним уже нужно будет работать постоянным током прямой полярности. В процессе используется алюминиевая присадка. Пруток должен быть диаметром от 2 до 8 мм, в зависимости от толщины самой свариваемой кромки. Для защиты деталей от кислорода и для поддержания сварочной дуги можно использовать флюс как на самих заготовках, так и на стержне. 

Сварка алюминия аргоном

Основная задача инертного газа – вытеснить кислород из сварочной ванны, чтобы при нагреве металла не образовывалась оксидная пленка, мешающая надежному соединению. 

Наиболее часто при ручной сварке используют вольфрамовые электроды. Технология называется AC TIG. Это хороший аналог автоматической сварки, получается достаточно качественный шов за счет распространения инертного газа. Что нужно знать: 

• Диаметр электрода – от 1,6 до 5 мм. 
• Присадка – алюминиевый пруток от 1,6 до 4 мм.
• Под изделие нужно положить теплоотводящую прокладку. Очень часто под изделие просто кладут медный лист. 
• В качестве инертного газа подойдет гелий или аргон. Его следует подавать за 5 секунд до зажигания дуги. 
• Расстояние от электрода до поверхности небольшое – от полутора до 2,5 мм.
• Электрод должен находиться под углом 70-80 градусов от заготовки. 
• Скорость работы высокая – это снижает вероятность дефектов, улучшает качество шва. 

Работать нужно на переменном токе. Если варить на высоком токе, велика вероятность прожига материала. Переменный ток позволяет сперва убрать оксидную пленку, а затем проплавить материал на нужную глубину. 

Эффективнее работать с вольфрамовыми электродами в горизонтальном положении заготовки. Это обусловлено тем, что инертный газ (аргон) тяжелее кислорода, поэтому он опускается вниз, попадая в сварочную ванну. Если нужно сварить вертикальные элементы или работать на потолочных конструкциях, то лучше применять не чистый аргон, а его смесь с гелием. 

Дополнительно используются флюсы. Чтобы снизить вероятность оксидных включений и пор, на кромки заготовок можно нанести разбавленный спиртом или водой (в зависимости от марки) флюс. Самыми популярными являются флюсы АФ-4Ф, ФА-1Т, ТФА-5 и ТФА-7. 

Основные преимущества сварки алюминия по технологии AC TIG: 

• тонкий, аккуратный, но при этом прочный и однородный сварочный шов;
• можно варить не только чистый алюминий – технология подходит для сплавов, например, АМцМ, АМг3М и проч;
• сварочная дуга горит стабильно;
• провар получается глубоким, соединение прочным на всей глубине. 

Полуавтоматическая сварка

Сварочный полуавтомат – наиболее распространенный тип оборудования при работе с алюминиевыми сплавами. Технология называется MIG, она не сильно отличается от ручной аргонодуговой сварки по результатам, однако имеет свои особенности. 

Алюминиевая сварочная проволока подается в полуавтоматическом режиме через горелку аппарата. Оксидная пленка быстро разрушается, а проплав металла получается равномерным без прожогов. Присадка как бы вдавливается в сварочную ванну, благодаря чему соединение получается максимально однородным. 

Важные нюансы: 

• Постоянный ток. Полярность следует выставить обратную. 
• Инертный газ – аргон. 
• Сварочная проволока по составу подбирается в зависимости от марки алюминия. По диаметру – она должна быть толще 0,8 мм, так как слишком тонкая проволока сложно подается через головку аппарата из-за мягкости материала. 
• На горелке должен быть специальный наконечник с маркировкой AL – он имеет более широкое основание, в отличие от наконечников для стали. Это связано с расширением материала при нагреве.
• Сварочный рукав для полуавтомата должен быть графитовый или тефлоновый, чтобы снизить трение алюминия. 
• Проволоку нужно подавать примерно на 15% быстрее, чем при работе со сталью. 

Результат сварки алюминия по технологии MIG – шов высокого качества и приятная работа без прожогов и брызг. 

Кроме представленных технологий, используются и более современные методы соединения алюминиевых конструкций. Например, лазерная и плазменная сварка. Однако такие технологии используются только на крупных производствах, так как для них необходимо дорогостоящее оборудование.