Разбираемся со сваркой алюминия, сравнивая ее со сваркой стали

Сварка алюминия более сложнее, чем сварка стали и других популярных металлов, особенно тем, что сварщику приходится вникать не только в физику процесса, но и в химию. А также тем, что алюминий гораздо более предрасположен к появлению трещин.

Чаще всего сварка алюминия требует соблюдения особых правил: выбора правильной присадки, правильного хранения и тщательной очистки металла.
В этой статье мы поговорим о главных трудностях сварки алюминия и дадим несколько важных рекомендаций.

Секрет качественной сварки - знание химии, борьба с оксидной пленкой и правильная техника сварки. При этом по своим физико-химическим свойствам алюминий во многом отличается от других металлов. Температура его плавления гораздо ниже, чем у стали:  алюминий плавится при температуре 660°C, а сталь 1371°C. Но алюминий покрыт оксидной пленкой, которая плавится при температуре 2038°C. Слой оксидов предохраняет металл от ржавчины и износа. Однако при сварке он играет роль изолятора, который доставляет много неудобств.

Прочность алюминия обратно пропорциональна температуре, при которой он эксплуатируется - чем ниже температура, тем выше прочность. Сталь же при уменьшении температуры становится хрупкой. Поэтому на криогенных производствах и для транспортировки жидкого природного газа используется именно алюминий.

Что касается сплавов, в сталь чаще всего добавляют железо, а алюминий соединяют со множеством других материалов.
Кованые сплавы, серии 1ххх это чистый алюминий без примесей. В других примесях используются: 

То, что алюминий отличается от других металлов становится особенно очевидным при сварке. Два его главных отличия от стали  - повышенная теплопроводность и пористость.

Водород легко растворяется в жидком алюминии. А жидким алюминий при сварке становится быстро, будь он материалом заготовки или присадки. Алюминий впитывает водород, который попадает в сварное соединение. Когда расплавленный металл начинает застывать, то водород начинает выделяться обратно, образуя пузырьки в шве.

Если вы перепробовали все способы борьбы с пористостью, но вам до сих пор не удалось от нее избавиться, то стоит попробовать использовать в качестве защитного газа смесь гелия и аргона. Помните о том, что если в составе газа есть гелий, нужно увеличить подаваемое напряжение чтобы преодолеть ионизационный потенциал такой смеси. Увеличение напряжения означает увеличение тепловложения и большую глубину проплавления, поэтому такая смесь используется для работы с толстыми заготовками.

Шов из алюминия не растрескается от водорода, как это случается со сталью. Однако, при затвердевании алюминиевого шва велика вероятность образования горячих трещин. Решение этой проблемы - в химии. Если вы столкнулись с образованием горячих трещин, ниже есть раздел про выбор присадочного металла. 

Пример чувствительного к растрескиванию металла с особым химическим составом, который плохо поддается газовой сварке или сварке с присадочным металлом той же марки это алюминий 6061. Для его сварки лучше использовать присадку с магнием (ER5XXX) или кремнием (ER4XXX), это снизит вероятность растрескивания шва.

Еще одна особенность алюминия - его теплопроводность в 5 раз выше чем у стали. Холодные части заготовки уводят тепло из сварочной ванны, что чревато меньшим проваром при сварке. Так что алюминию при сварке нужно больше тепловложения, чем стали.

Правильно подобрать присадочный металл для алюминия поможет Схема подбора присадки для алюминия. У каждого сплава есть своя рекомендованная присадка, в зависимости от наиболее важных характеристик будущего изделия.

Например, если заготовка сделана из алюминия 6061, для него подойдут присадки: 4043, 4943, 5356. Первые две присадки помогают уменьшить пористость, а 5356 улучшает прочность шва.

Существует 8 наиболее важных характеристик: Растрескиваемость, Прочность, Ковкость, Устойчивость к коррозии, Способность выдерживать высокие температуры, Изменение цвета после анодирования, Реакция на повторный нагрев, Сопротивление разрыву. От того, что нужно получить в итоге зависит какие из характеристик наиболее важны на этот раз. Важно помнить, что для алюминия диапазон высоких температур составляет 65-176 С. Более подробную расшифровку характеристик можно найти в самой Схеме подбора присадки для алюминия. 

Еще один способ выбрать присадку - воспользоваться специальным мобильным приложением.
 

Кроме правильного выбора присадочного металла есть еще несколько важных правил, которые следует соблюдать:

Держите горелку прямо
Для стали широко применяется способ сварки с поперечным колебанием горелки. Однако, для алюминия больше подходит узкий глубоко наплавленный валик. При MIG сварке понадобится увеличить тепловложение и скорость подачи проволоки.

Очистите заготовку перед сваркой
Тщательно подготовьте поверхность металла перед сваркой: уберите масла, грязь, нагар и влагу. Это снизит вероятность появления пористости. Для очистки хорошо подойдет ацетон или специальный очиститель. Не продувайте металл сжатым воздухом, грязь с инструментов может легко попасть на заготовку.

Очистите оксидный слой
Используйте для этого стальную щетку - новую или такую, которая использовалась только для алюминиевых заготовок. Как уже упоминалось выше, температура плавления оксидной пленки выше, чем температура плавления алюминия. Пленка выступает в роли диэлектрика и поэтому в самом начале сварки нужно усиленное тепловложение, которое может прожечь заготовку.

Храните заготовки правильно
Правильное хранение заготовок - это еще одна важная мера для предотвращения пористости. Если есть возможность, алюминий лучше всего хранить в помещении. Если такой возможности нет, то лучше всего не складывать листы один на другой (так на них накопится больше влаги), лучше хранить их в вертикальном положении. Занесите заготовки и присадку в помещение за сутки до сварки - дайте температуре металла сравняться с комнатной, так на заготовке скопится меньше конденсата.

Проверяйте состояние расходных материалов
Корень некоторых проблем (особенно при MIG сварке) часто лежит в состоянии расходных материалов. Чтобы снизить риск возникновения пористости - используйте новые газовые шланги и убедитесь, что все соединители крепко закручены и воздух не попадет в газ.  
Важно правильно подобрать направляющие каналы и приводные валки. В случае с алюминием, лучше использовать каналы и валки из пластика, потому что мягкая проволока может истереться об металл или латунь. Мелкая стружка может засорить канал подачи проволоки. Также, для алюминия лучше всего подходят U-образные направляющие каналы, потому что каналы другой формы деформируют проволоку при подаче.

Держите температуру под контролем
Определив сплав алюминия, проверьте рекомендованный для него диапазон межваликовой температуры и температуры прогрева. Но всё же, в случае с алюминием лучше свести прогрев к необходимому минимуму. 
Термически упрочняемые металлы и металлы 5ххх серии содержащие в себе не больше 3% магния стоит прогревать не дольше 15 минут при температуре не выше 121°C. Превышение температуры уменьшит прочность материала и увеличит риск появления трещин. 

Зачастую сложности сварки алюминия кроются в химии. Но правильное подобранное сочетание металла присадки и заготовки с большой вероятностью станет решением этой проблемы. Важно следовать проверенным временем рекомендациям и помнить, что советы для сварки стали не подходят для алюминия.