Сварка аллюминия аргоном

Алюминий особенный метал и прежде чем начать работы по сварке нужно ознакомиться с особенностями проведения сварочных работ и подобрать сварочный материал.

Алюминий относится к металлам, которые в настоящее время достаточно легко подвергаются различным видам сварочных работ, в том числе: ручной, аргoнo-дугoвой, пoлуавтoматической сварке, если правильно подобрать оборудование и материалы.. В зависимости от выбранного способа сварки алюминия необходимо подбирать и тип электродов. Например при проведении ручной сварки желательно использовать ОЗа и ОЗаНа, работающие при воздействии постоянной силы тока обратной полярности. При сварке аргоно-дуговым способом чаще всего используют вольфрамовые электроды, особенно в России. Желательно помимо вольфрамовых электродов использовать переменную силу тока, что позволяет быстро разрушить оксидную пленку, которая образуется на поверхности алюминия.

До недавнего времени крайне сложно было сваривать детали, выполненные из тонкого алюминия, теперь при выполнении данных работ проблем не возникает, так как появилась возможность работать с инверторными источниками питания, где можно регулировать частоту напряжения. Наибольший эффект при сварке тонкостенного алюминия достигается при работе на высоких частотах.

В случае необходимости проведения работ по сварке алюминия и его сплавов большого объема более целесообразно использование полуавтоматического оборудования. Данный вид сварки в отличие от аргоно-дуговой выполняется под воздействием постоянной силы тока с плюсовой полярностью. Для сплавов алюминия лучше применять импульсный режим или так называемый капельный перенос.

Импульсный режим требует участия в работе инверторных источников с базовым током. В этом случае ток достаточен для того, чтобы поддерживать дугу, но недостаточен для того, чтобы оторвать капли плавящегося металла и переброса их в специальную сварочную ванну. Плюс импульсной сварки в том, что появляется возможность ведения сварки в любых положениях: сверху, снизу, сбоку, на весу и т.д., а также облегчает сварку элементов из тонкого металла и уменьшается вероятность разбрызгивания сварки.

Способы сварки алюминия и его сплавов различны, но все требуют особой аккуратности и внимания при проведении работ. Также следует использовать специальные механизмы для подачи алюминиевой проволоки, так как ручная подача затруднена вследствие ее мягкости. Следует тщательно следить за качеством алюминиевой проволоки и местом ее хранения, в случае длительного неиспользования открытой упаковки проволоки, она окисляется и снижает эффективность и качество сварочных работ, особенно это касается хранения во влажных и сырых помещениях. Также перед началом сварки алюминия обязательно нужно качественно подготовить поверхность: очистить околошовную зону от пыли, загрязнений и влаги, только после этого можно приступать к сварочным работам. Стальная проволока подобных затруднений не вызывает.Теплопроводность у алюминия превышает аналогичный показатель стали в пять раз и составляет 1,24х10-3 Вт/м К. Эта характеристика, не позволяет выполнить высококачественную сварку, так как имеет место недостаточная глубина проплавления. К тому же сварочная ванна быстро кристаллизуется, что приводит к неполному газовыделению и появлению пор в сварном шве. При сварке алюминия увеличивается сварочный ток, что часто приводит к нарушению формирования сварного шва и появлению морщинистых складок на его поверхности. Специалисты рекомендуют проводить предварительный и сопутствующий подогрев во время сварки и увеличивать силу тока. Для проведения качественной сварки алюминия используют инертные газы: аргон, гелий или их смеси. За счет большей теплопроводности поднимается температура сварочной ванны и происходит полное газовыделение. Сварку алюминия затрудняет невысокая температура плавления металла и уменьшение прочности при нагревании, что способствуют появлению «прожогов» или «проваливания» несплавившихся частей кромок. Высокая линейная усадка, которая увеличивает внутреннее напряжение и деформацию при затвердевании сварочной ванны, может привести к короблению и образованию горячих трещин.

Алюминий обладает высокой жидкотекучестью, что может привести к вытеканию металла через корень шва, поэтому во время работ важна и скорость сваривания. К тому же сварщик не может определить нагретость металла до температуры плавления по цвету, так как алюминий в отличие от других металлов, не меняет цвет при нагревании.

При естественных условиях алюминий покрыт достаточно тонкой, но прочной оксидной пленкой, которая препятствует коррозии металла, но создает определенные трудности при сварке. Окись Al2O3 тугоплавкая и по сравнению с алюминием имеет высокую плотность. При проведении сварочных работ пленка тонет в сварочной ванне, затрудняя сплавление кромок и загрязняя сварной шов своими частичками. Наличие неметаллических частей снижают механические свойства шва, в частности, уменьшают его прочностные характеристики.

При сварке алюминия необходимо учитывать физико-химические характеристики металла, проводить качественную подготовку перед выполнением сварочных работ (очистку и обезжиривание свариваемых кромок), производить подогрев, чтобы избежать газовыделению и пористости.1. Введение
Алюминий – цветной металл с уникальными характеристиками, которые позволяют использовать его во многих отраслях промышленности, например морской и авиационной. Он имеет плотность 2,7 г/см3 (меньше среднего значения плотности стали (7,83 г/см3)), и он часто применяется там, где очень важен низкий вес конструкции. Несмотря на то, что технически чистый алюминий и большинство его сплавов имеют пониженные механическую прочность и твердость, некоторые сплавы могут предложить улучшенные характеристики для особого применения и, как со сталью, они могут обрабатываться для улучшения механических свойств. Другим важным аспектом характеристик данного материала является его коррозионная стойкость, гарантированная микроскопическим слоем оксида алюминия, который формируется на поверхности и который при разрушении быстро перемещается в многочисленные места. С другой стороны, слой подобного защитного оксида представляет главную трудность при дуговой сварке алюминия и его сплавов, потому что он имеет очень высокую температуру плавления (около 2,060°С), тогда как температура плавления металла ниже (около 660°С). В дополнение к высокой теплопроводности алюминия данный фактор предотвращает характерное плавление оксидного слоя, несмотря на то, что температуры сварки выше. В результате расплавленный алюминий или алюминиевый сплав под остающимся оксидным слоем не может быть сварен с помощью TIG при изменяющейся полярности вольфрамовым электродом с отрицательным полюсом (DCEN).

Поверхность оксидов на алюминиевых сплавах может перемещаться при помощи прямого тока и вольфрамового электрода, подсоединенного к положительному полюсу (DCEP) (Механизм перемещения оксида широко известен как катодная очистка.) Однако данный метод не широко используется из-за нестабильности дуги и износа вольфрамового электрода. Поэтому используется промежуточное условие, то есть использование переменного тока (АС), посредством чего происходит катодная очистка при положительном полупериоде AC сварочной волны.

При сварке АС в механизме эмиссии электрона имеется изменение при такой же частоте, при которой происходит смена полярности. При отрицательной полярности (EN) катод достигает достаточно высокой температуры для выхода электрона. Это происходит только для электродов, состоящих из материалов с высокой точкой кипения (выше 4,000 К), таких как вольфрам. При фазе, в которой катодом является заготовка (EP), эмиссия электронов не может происходить из-за термионного воздействия, по причине его низкой температуры плавления, а происходит эмиссия под действием электрического поля в микроскопической зоне поверхности катода (автоэлектронная эмиссия). Катодная точка, где происходит эмиссия, первоначально была расположена на наконечнике электрода, а сейчас перемещается на края ванны расплавленного металла, пытаясь найти точки выхода электронов (Рисунок 1). Катодная точка занимает намного меньше места при положительном полупериоде (А1). Таким образом, для получения тока, плотность энергии, содержащейся в А2, намного больше, чем в А1, в результате расплавления (испарения) оксидного слоя.

Рисунок 1. Зона воздействия плазменной дуги на поверхность заготовки при отрицательной полярности (А1) и передвигающаяся зона действия плазменной дуги на поверхность заготовки при отрицательной полярности (А2)

В результатах исследований указано влияние параметров сварки (таких как время положительной полярности и интенсивность положительного тока) на прямоугольную форму волны характеристики тока при TIG сварке алюминия на переменном токе. Главным аспектом сварки TIG на переменном токе, полученном при данных исследованиях, является влияние положительной полярности на профиль наплавленного валика. Исследования предоставляют результаты, которые отличаются от результатов в традиционных изданиях . Обычное понимание процесса TIG сварки на переменном токе предполагает, что отрицательная полярность будет образовывать благоприятное тепловложение для расплавления (около 70% тепла, образованного при достижении дугой заготовки). Таким образом, принято, что отрицательный ток будет оказывать большое воздействие на расплавление основного металла. При положительной полярности термический баланс может быть инвертирован по случаю износа вольфрамового электрода. По этой причине пришли к заключению, что положительная полярность тока может оказывать существенное действие на удаление оксидов, имеющих незначительную роль при плавлении основного металла и, следовательно, в формировании зоны плавления.

Рисунок 2. TIG сварка алюминия с электромагнитным источником питания: колебания тока и напряжения при AC
На Рисунке 2 показаны осциллограммы действующих тока и напряжения, полученные при TIG сварке алюминия на переменном токе, при использовании электромагнитного источника питания, без уравновешивания сигналов тока. Когда заготовка становится катодом, то напряжение в фазе выше при промежуточном состоянии, после того, как только прекращается термионная эмиссия, но расширенная область эмиссии остается. Когда катодом является вольфрамовый электрод, напряжение имеет пониженное среднее значение. Из-за значительных трудностей выделения электронов из холодного катода, ток в положительном полупериоде намного ниже, даже при повышенном напряжении, что также объясняет задержку зажигания дуги при переходе полярности с отрицательной на положительную, Рисунок 2. Влияние повышенного тока названо по Европейским Нормам выпрямлением дуги. Для транзисторных источников питания (в частности, которые используются здесь) при управлении тока в сигнал прямоугольной формы нет влияния тока (замечено только влияние на напряжение). Поэтому переход с одной полярности на другую происходит очень быстро, таким образом, способствуя избегать трудности, возникающие при повторном зажигании дуги.

Scotti (Скотти) провел эксперименты для определения влияния I(+), I(–) и t(–) (положительная сила тока, отрицательная сила тока и отрицательная полярность времени в соответствующем порядке) на некоторые аспекты, относящиеся к TIG-сварке алюминия на переменном токе, включая глубину провара, площадь проплавления и катодную очистку. Результаты опытов показали, что положительная сила тока не влияет на какие-либо приведенные аспекты. Изучение в большей степени было сконцентрировано на влиянии t(–) на площадь проплавления, в то время как влияние t(+) было неизменным при всех опытах, но только с одним исключением. В случае исключения t(+) возрастало, пока t(–) было неизменно, и, в результате, были улучшены геометрические параметры сварного шва (обеспечены ширина и высота шва). Несмотря на неожиданный результат для исследования данного феномена, дополнительные опыты не проводились.

Целью изучения, описанного в данной статье, является определение влияния имеющейся силы тока при положительном полупериоде на характеристику площади расплавления (глубину провара и площадь расплавления), площадь катодной очистки и поведение мощности и напряжения дуги при TIG-сварке алюминия на переменных токах.

1. TIG сварка алюминия переменным током : последовательность операций

Механизированные швы каплями металла были осуществлены с помощью сварочного процесса TIG при переменном токе для того, чтобы определить поведение расплавленного алюминия при увеличении сварочного тока при положительном полупериоде. В таблице показано испытание параметров, где I(+) и I(–) являются силой тока при положительных и отрицательных полупериодах соответственно.

Положительный ток I(+) был установлен, а отрицательный ток (IRMS) был рассчитан с помощью Уравнения (1) для того, чтобы задать значение тока RMS 100 А с прямоугольной формой сигнала. Во всех испытаниях была установлена продолжительность положительных и отрицательных полуциклов 10 мс. Данный результат при переменной частоте 50Гц, которая имеется в диапазоне, где возможны задержки повторного зажигания дуги, не оказывает влияния на сварочные свойства. В данной работе, автор наблюдал за задержками повторного зажигания даже в электронных источниках питания и рассчитывал их, для повышенных частот (в порядке кГц) качество швов может быть немного снижено. Было исследовано три сварных шва, для каждого в Таблице 1 приведены комбинации параметров, и было выполнено три испытания.

I(–)=√2(IRMS?)-I(+)? (1)

Использовался источник питания «Inversal 450» производства IMC, который позволяет регулировать сварочные параметры на панели управления. Устройство перемещения горелки позволяет придерживаться скорости сварки 3,33 мм/с (20см/мин). Длина сварного шва была около 200,0 мм.

Для тестов применялись электроды EWTh-2 с диаметром 3,2 мм, углом при вершине 45° и расстоянием между электродом и горелкой 3,0 мм. Перед каждым швом вольфрамовый электрод подлежал заточке или смене. Угол между осью электрода и поверхностью заготовки был установлен 90°. В защитных газах применялся технически чистый аргон с расходом около 7л/мин.

Разрезаемыми образцами были одиночные пластины из алюминиевого сплава 1200 с размерами 240х100х3 мм. Их очистка производилась удалением жира с поверхности спиртовым раствором. После проведения испытаний сварные швы были поперечно разрезаны на середине их длины для того, чтоб подготовить образцы к анализу. Зона сплавления была выявлена 5% фтористой кислотой, используемой в качестве реагента.

Применялась переносная система сбора данных SAP для наблюдения за сигналами напряжения и тока. Уравнение (2) реализовано в программном обеспечении SAP для расчета средней мощности (P) дуги. Продолжительность каждого сбора данных была 2 секунды при частоте выборки 5 кГц.

(2) где:
Vi – напряжение при мгновенном I;
Ii – ток при мгновенном I;
n – количество точек, выполняемых системой.

Для того, чтобы минимизировать влияние высокой электропроводности алюминия на сварные швы, горелка удерживалась в том же положении, после зажигания дуги за период времени, достаточный для формирования ванны расплавленного металла. Следовательно, сохранялась стандартная ширина на всем протяжении сварного шва.

1. Результаты и обсуждение

3.1 Влияние I(+) на катодную очистку
На Рисунке 3 показаны сварочные швы в соответствии с одним из установленных тестов. Несмотря на то, что ширина шва постепенно возрастает пропорционально увеличению мощности положительного тока, это не оказывает значительного влияния на площадь очистки в отличие от предварительных результатов, где небольшое положительное отклонение влечет за собой уменьшение очищаемых участков.

Особое поведение было описано Barhorst (Бархорстом), большое влияние положительного тока на катодную очистку возможно из-за различий в последовательности операций.

3.2 Влияние I(+) на напряжение и мощность дуги
На рисунке 4 показано поведение напряжения RMS и средней мощности (P) в качестве функции положительного тока. На графиках (Рис. 4) представлено снижение значений напряжения RMS при положительных значениях тока в диапазоне от 35 до 80. Однако тенденции к очистке на схеме «положительный ток х средняя мощность» не наблюдалось на

Был проведен анализ колебания напряжения и тока для объяснения поведения напряжения RMS и средней мощности. Некоторые из них показаны на Рисунке 5. Они выделяют снижение средних значений напряжения при отрицательном полупериоде тока и увеличение тока, несмотря на малые величины, при положительном полупериоде. Следовательно, не происходит компенсации между различиями, которые наблюдаются при двух средних значениях напряжения, как следствие, напряжение RMS снижается при увеличении положительного тока I(+).

Снижение среднего значения напряжения при отрицательном полупериоде свидетельствует о том, что электроны эмитируются намного легче, чем при росте положительного тока I(+).Причиной этого может быть значительное нагревание вольфрамового электрода при положительном полупериоде. Таким образом, электрод расположен к термоэлектронной эмиссии при смене полярности. Другим фактором, содействующим этому, является возможность значительного нагрева плазмы, что способствует улучшению электропроводности и позволяет электронам проходить через нее при пониженном напряжении. Также, необходимо заметить, что отрицательный сварочный ток был всегда пониженным для того, чтобы установить значение тока RMS 100А, согласно принятой методики, что, в свою очередь, должно улучшить результат.

Рисунок 5. Колебания напряжения и тока в соответствии с Серией 2 (пунктирной линией показано средние значения напряжения для обеих полярностей)

Рисунок 6. Поведение средней мощности при положительных и отрицательных полупериодах

Средняя мощность быларассчитана отдельно для положительного полупериода, Мощность (+), и отрицательного полупериода, Мощность (–). Графики на Рис. 6 были начерчены с рассчитанными значениями для трех серий проведенных испытаний. Снижение в контуре отрицательного среднего значения мощности происходит из-за снижения как тока, так и напряжения при отрицательном полупериоде.

Как отмечено выше, положительное среднее значение напряжения показало незначительные изменения положительной силы тока. Однако усиленное увеличение в контуре положительной средней мощности происходит в основном из-за увеличения значения тока при проведении испытаний. На Рис.6 объясняется поведение средней мощности, показанной на Рис. 4б где, за исключением положительного тока 80А, все средние значения сохраняются в примерно родном диапазоне, без тенденции увеличения или снижения.

Рисунок 7. Поперечное сечение в соответствии с Сериями 1, 2 и 3: скорость сварки 3,33 мм/с (20,0 см/мин), время положительной и отрицательной полярности установлено 10мс

3.3 Влияние I(+) на зону плавления
Поперечное сечение на Рис.7 показывает, что сила тока при положительном полупериоде влияет на профиль шва в некоторой степени, который отличается от обычного представления процесса сварки TIG. Характеристика увеличения высоты шва (мм) и зоны расплавления (мм2) показаны на графиках на Рис. 8а и 8б.

Значительное влияние положительной полярности на расплавление заготовки объясняется двумя отдельными механизмами эмиссии. В положительной фазе цикла тока, увеличение напряжения на поверхности катода (падение катодного напряжения), необходимое для выделения электронов с холодного катода (автоэлектронная эмиссия), вводит значительную энергию на катоде, таким образом, содействуя значительному расплавлению основного металла.

Кроме того, Fuerschbach ссылается на Cobine, которые полагают, что во время электронной эмиссии с катода происходят потери тепла при выделении каждого электрона. Уравнение (3) рассчитывает тепло, образованное на катоде, как функция электронной эмиссии путем термоэлектронного механизма. Отрицательная фаза во второй части уравнения – продукт плотности электронного тока (je), умноженная на работу выхода на катоде (Ø), имеющую отношение к потерям, вызванным эмиссией каждого электрона. Однако такие потери применяются только для материалов, которые позволяют выделяться электронам под термоэлектронном влиянии, для таких как вольфрам. Это не является случаем, когда поверхность заготовок сделана из алюминия, из-за его низкой температуры плавления. В данном случае, поверхность выпускает электроны при помощи автоэлектронной эмиссии. Таким образом, такие потери тепла («охлаждение катода») не происходят, когда алюминиевая поверхность выпускает электроны при положительном полупериоде. Результаты показывают, что положительный ток играет роль в случае автоэлектронной эмиссии и влияет на размеры зоны расплавления.

HC=Ji (VC + VC-φ) – Jeφ (3)

где:
Hc = теплота, вводимая на катод
Ji = локальная плотность тока
Vc= падение напряжения на катоде
Vp = потенциал ионизации плазмы

1. Заключение
2. Увеличение силы тока при положительных полупериодах влияет на геометрию сварного шва. Даже при уменьшении отрицательного тока, увеличились высота шва и зона расплавления.
3. Изменения положительной силы тока не оказывает значительного влияния на очищенную зону
4. Средние значения напряжения при отрицательных полупериодах снизились, когда применялся более высокий положительный ток. Это характеризовало возможное увеличение температуры электрода и плазмы при применении повышенных положительных токов по причине того, что он в большей степени благоприятствует эмиссии и проведения электронов.

Рисунок 8. а) – Зависимость между положительным током и глубиной провара (мм); б) Зависимость между положительным током и зоной расплавления (мм2)