К главным особенностям алюминиевых сплавов можно отнести высокую коррозийную стойкость, небольшую плотность, а также внушительную удельную прочность. Благодаря своим характеристикам, материал получил широкое применение во многих отраслях промышленности.
При сваривании алюминиевых сплавов необходимо учитывать специфику материала. Алюминий имеет свойство активно окисляться при температурах близких к точке плавления и выше. В свою очередь оксидная пленка может плавиться лишь при очень высоких температурах (если быть точнее >2273 К), поэтому при сваривании она не расплавляется. Данная пленка хорошо адсорбирует летучие пары воды и газы, что становится причиной появления пустот и неоднородностей в сварочной ванне, а далее к дефектам сварочного шва.
То есть частички оксидной пленки, попадая в сварочную ванную, провоцируют образование оксидных включений в швах, что категорические противопоказано для качественного соединения. По этой причине нужно проводить специальные процедуры, цель которых – это разрушение с последующим удалением пленки, а еще защита материалов от повторного окисления.
Одной из причин появления полостей швов при сварке алюминия, является водород, который хорошо растворяется в алюминии при высоких температурах. Сваривание алюминиево-магниевых сплавов также сопровождается повышенным уровнем пористости, ведь магний способствует увеличению показателя растворимости водорода в алюминии. Чтобы уменьшить пористость при дальнейшем сваривании, используют специальную обработку поверхностей стыков, которая позволяет удалить влагу, которая в свою очередь является частью пленки.
В процессе сварки алюминия, а также его сплавов, ранее которые не упрочнялись термообработкой, в ОШЗ будет происходить рост зерна и некоторая потеря прочности из-за снятия нагартовки. Даже упрочненные с помощью термической обработки сплавы, в процессе сварки поддаются разупрочнению.
Еще одна важная характеристика алюминия – это высокая теплопроводность, поэтому он требует много энергии, больше чем для лазерной сварки разных марок стали. Из-за большого коэффициента линейного расширения и низкого значения модуля упругости, алюминиевые сплавы показывают значительную остаточную деформацию. Стальные конструкции имеют значительно меньшие деформации.
Однако если использовать для сварки особые высококонцентрированные источники энергии, вышеуказанных проблем можно избежать. Например, электронный или лазерный луч.
Чтобы получить высококачественное сварное соединение, потребуется очень тщательная подготовка поверхностей, прежде чем приступить к лазерной сварке. Особенное внимание уделяют процессу очистки свариваемых поверхностей от жировой смазки, ведь ею всегда покрываются полуфабрикаты на заводе для их консервации. Также предполагается механическая обработка торцов, с целью удаления пленок оксидов на ширину 25-30 мм, что касается всей длины соединения. Для этого используют травление при помощи раствора 50г NaОH на 1 л воды и последующим осветлением в 30%-нoм растворе НNО3. После завершения процедуры травления детали обязательно хорошо промывают в горячей воде. Очищенная таким способом поверхность хорошо сохраняет свои свойства на протяжении 3-4 дней. Перед началом, свариваемые поверхности хорошо обрабатывают шабером, чтобы будущие швы блестели. Подобная подготовка помогает исключить возможность появления оксидных включений и возникновения пористости.
Важно обеспечить эффективную защиту шва от окисления, чтобы добиться наилучших результатов при сварке алюминиевых швов. Из современных методов, газовая защита считается наиболее эффективной и действенной при сварке алюминиевых сплавов. При чем флюсы традиционных составов не могут обеспечить такого же результата. Возможно в будущем, когда будут разработаны новые составы, флюсы будут более активно применяться.
Использование гелия позволяет достичь наилучшего качества шва и максимальной глубины проплавления. Рекомендуется использовать защиту швов гелием с обеих сторон, однако для экономии можно использовать только защиту верхней части сварочной ванны, а для нижней подойдет и аргон.
Основа высококачественного сварного соединения – это правильный подбор параметров режимов сварки. Основная специфика лазерной сварки сплавов алюминия заключается в том, что необходим определенный порог уровня мощности излучения лазера для проплавления материала. Например, сплав АМг6 требует мощности СО2-лазера уровня 2-2,2 кВт, чтоб обеспечит проплавление на 1,5-2 мм. Если мощность будет ниже, эффект проплавления будет вообще отсутствовать. Подобная особенность связана с коэффициентом отражения алюминия (показатель равен 0,97) на длине волны 10,6 мкм с высокой теплопроводностью и теплоемкостью материала. Когда температура приближается к точке плавления алюминия, коэффициент отражения резко падает и начинается процесс проплавления, сопровождающийся образованием парогазового канала. Все последующие увеличения параметров мощности излучения приводят к линейному возрастанию показателя глубины проплавления. Важно учитывать, что указанный порог значения зависит от ряда параметров:
- скорость сварки;
- степень фокусировки;
- толщина пластины;
- основные свойства излучения;
- состояние поверхности.
При использовании оптимизации режимов сварки, можно добиться практически идеальной формы шва, а также минимальной зоны расплавления. Также потребуется получить необходимую геометрию соединения: провисание k1, занижение k, корневой b1 и верхней b, частей швов. Провисание и занижение шва зачастую задают техническими условиями. Согласно стандартам, они не должны быть свыше 10% от толщины свариваемого материала. Соотношение ширины корневой и верхней частей шва оптимально при их равенстве.
Если рассматривать микроструктуру металла, то можно заметить существенные различия между сварными швами, выполненными при помощи дуговой и лазерной сварки. В шве присутствуют мелкодисперсные структуры с характерными столбчатыми дендритами небольших размеров, значительно меньше, если делать сравнение с аргонодуговой сваркой.
Чтобы метод лазерной сварки сделать еще более эффективным, его производят по слою флюса. Новые флюсы для СО2-лазера систем Аl - Mg - Li и Аl - Mg включают следующие компоненты: порошки различных металлов, фториды щелочно-земельных и щелочных металлов, графит. Благодаря компонентам увеличивается коэффициент поглощения сплавом излучения, также улучшается поверхностная активность и коэффициент поверхностного натяжения в расплавах флюса.
Флюсы помогают перераспределить баланс энергии в процессе сварки алюминиевых сплавов, что стало возможным благодаря удалению оксидной пленки и увеличения способности поглощать энергию. При этом значительно увеличивается показатель эффективного КПД, снижается граница критической плотности мощности, которая присуща лазерной сварке сплавов алюминия. Уже при увеличении вводимой энергии, глубина проплавления возрастает уже не скачкообразно, а плавно.
