Сварка алюминия в полевых условиях

Алюминиевые сплавы находят все более широкое примене­ние при изготовлении деталей и узлов автомобилей раз­личного назначения. Кузова грузовых автомобилей, цистерны, обшивки автобусов и фургонов, панели дверей, крышки ба­гажников, бамперы и другие элементы изготовляют из алю­миниевого проката марок АД31, 1935, 1915, АМг5. Кроме того, из алюминиевых сплавов изготавливается большое коли­чество деталей двигателей (блоки цилиндров, головки блоков, впускные трубы и т. д.), корпусные детали. Для них исполь­зуются литейные сплавы марок АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др.

Если технология промышленного изготовления сварных де­талей из алюминиевых сплавов уже отработана и не представ­ляет большой трудности, то их ремонт в полевых условиях — пока актуальная проблема. Наиболее характерные поврежде­ния таких деталей в эксплуатации — трещины, сколы, пробои­ны — механические, и их можно устранить с помощью сварки. Такой метод ремонта эффективен экономически и позволяет сохранить прочность восстановленных деталей.

Основной особенностью сварки алюминиевых сплавов является интенсивное их окисление с образованием туго­плавких окислов. Эта окисная пленка на поверхности деталей способствует повышению их эксплуатационных характеристик, но сварке она мешает (температура ее плавления 2050 °С), снижая механическую прочность швов.

Специалисты-сварщики в полевых условиях могут очищать свариваемые поверхности деталей от окисных пленок катодным распылением. Оно применяется при сварке с помощью постоян­ного тока обратной полярности.

Этот эффект удаления окисных пленок в значительной сте­пени достигается при сварке алюминия свободной, сжатой и стабилизированной дугами. Однако сварка свободной дугой постоянным током обратной полярности характеризуется нестабильностью процесса и значительным перегревом вольф­рамового электрода. Кроме того, она может быть применена только для сварки алюминия или его сплавов малой толщины.

При сварке деталей сжатой дугой постоянным током обрат­ной полярности достигаются высокие результаты, которые ха­рактеризуются устойчивой длиной дуги и большой концентра­цией энергии. В результате — повышается производительность труда, уменьшаются сварочные деформации и зона терми­ческого влияния. Однако и плазменная сварка в полевых ус­ловиях неприемлема вследствие таких ее недостатков, как, например, двойное дугообразование, повышенный износ плаз­мотронов, сложность и низкая ремонтопригодность свароч­ного оборудования, потребность в высококвалифицирован­ных сварщиках.

Большой интерес может представить для авторемонтников восстановление деталей из алюминиевых сплавов в полевых ус­ловиях с помощью сварки стабилизированной дугой. В Военно-инженерной академии имени В. В. Куйбышева автор исследовал технологические возможности применения сварки стаби­лизированной дугой при ремонте деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов марок АМгб, АМг61, 1915, 1920, АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др.

Таблица Рациональные режимы ручной аргонодуговой сварки стабилизированной дугой деталей из алюминиевых сплавов

dhdhudhndhnydhdhndh169

Стабилизированная дуга по своим свойствам представ­ляет промежуточную форму разряда между свободной и сжа­той дугами. Для приближения энергетических характеристик свободно горящей дуги к аналогичным характеристикам сжа­той (плазменной) дуги создана горелка для сварки алюминие­вых сплавов с помощью стабилизированной дуги марки СА-367. Этой горелке свойственны высокая степень стабилизации дуги (обеспечивается специальной конструкцией рабочей части), возможность возбуждения дуги контактным способом без отри­цательного воздействия на сварочную ванну. Важная для полевых условий работы характеристика новой горелки — не­восприимчивость дуги к воздействию ветра (до 3 м/с) и сквоз­няков. Этого конструкторы горелки добились, предусмотрев подачу двойного потока защитного газа, выходящего из го­релки. Новая горелка обеспечивает также наибольший эффект катодной очистки, что уменьшает время на подготовку поверх­ности детали к сварке и улучшает качество сварного соеди­нения.

С устройством и принципом действия новой горелки можно ознакомиться в работе С. Полоскова, С. Ковешникова, В. Пав­лова и др. «Сварка легких цветных металлов стабилизирован­ной дугой обратной полярности». (Вопросы атомной науки и техники. Сер. Сварка в ядерной технологии, 1984, вып. 2 (13) с. 23...28).

Металлографический анализ и механические испытания сварных соединений, полученных сваркой стабилизированной дугой, подтвердили высокое их качество. Подготовка сваривае­мой поверхности заключалась в зачистке ее металлической щеткой и обезжиривании ацетоном. Во время испытаний ис­пользовались сварные образцы из сплава марки 1920Т. Они подвергались статическому растяжению при различных режи­мах сварки стабилизированной дугой. Марка сплава была выбрана, как обладающая худшей свариваемостью. Сварка выполнялась в полевых условиях при скорости ветра 1,5... 2 м/с и температуре воздуха около 25 °С.

Экспериментальные лабораторные и натурные испытания позволили рекомендовать для выполнения ремонтных работ в полевых условиях пост ручной аргонодуговой сварки стаби­лизированной дугой (рис. 1), который включает в себя источник питания /, токоведущие кабели 2, горелку 3 для сварки стабили­зированной дугой марки СА-367 с комбинированным шлангом 4, шланги для подвода и отвода охлаждающей жидкости и защитного газа 5, систему охлаждения горелки 8, газо­вый редуктор с манометром 6, баллон с защитным газом 7, комплект защитных средств (защитный щиток, перчатки, фар­тук и т. д.), комплект инструмента и контрольно-измери­тельных приспособлений (приборов) для контроля качества сварных соединений.

В качестве источника питания целесообразно использо­вать сварочные агрегаты с падающими внешними характе­ристиками и напряжением холостого тока не менее 60 В. Во время исследований применялся сварочный агрегат моде­ли АДБ-309 (генератор ГД-303). В качестве защитного газа желательно применять аргон высшего сорта (ГОСТ 10157— 79). Систему охлаждения можно рекомендовать промышлен­ного изготовления модели СА 429. 15.000, предназначенную для охлаждения горелок, используемых при ручной и меха­низированной сварках.

В ходе исследований были подобраны и рациональные режимы сварки (табл. 1), а также рекомендована технология ремонта. Технологический процесс ремонта деталей сваркой стабилизированной дугой имеет много общего со сваркой сво­бодной и сжатой дугами. Качество сварных соединений из алю­миниевых сплавов при любом способе сварки в значительной степени определяется подготовкой поверхности свариваемых кромок и присадочной проволоки.

Перед ремонтом детали дефектные места, подлежащие сварке, очищают от грязи и масла. Для этого их промывают водой, затем растворителем (ацетоном, уайт-спиритом, авиа­ционным бензином и т. п.) и протирают насухо ветошью. Краску вокруг дефектного места желательно удалить на расстоянии до 200 мм с лицевой и обратной стороны от места наложе­ния шва.

dhdhudhndhnydhdhndh170

Рис. 1. Схема поста сварки стабилизированной дугой при ремонте деталей и агрегатов машин

Кромки у повреждения выравнивают, срезают заусенцы, засверливают начало и конец трещины. Пленку окислов уда­ляют металлической щеткой, шабером или напильником по обеим сторонам свариваемых кромок (полосой шириной не менее 30 мм), а также на самих кромках. Эту работу выпол­няют непосредственно перед сваркой. Зачищенная поверхность должна иметь матовый блеск. Периодически металлические зачистные щетки надо промывать в растворителе.

Присадочным материалом при сварке алюминиевых сплавов является сварочная проволока, аналогичная или близкая по химическому составу основному металлу. Для сварки деталей из сплава марки АМгЗ рекомендуются присадочные проволоки марок СвАМгЗ, СвАМгб; для МАг5 — СвАМгб, СвАМгб, Св1557, СвАМгб!; для АМгб — СвАМгб, СвАМгб!, Св!557; для АМгб! — СвАМгб!, СвАМгб; для АД31 — СвАК5, Св1557; для 1935 — Св!557, СвАК5; для 1915 — Св!557, СвАМгб, СвАМгб; для 1920 — Св92, СвАК5, Св1557. Марки присадочных проволок, указанных первыми, обеспечивают на­иболее прочные сварные соединения.

Если у ремонтников есть время и соответствующие хими­каты, то присадочную проволоку после длительного хранения и расконсервации рекомендуется подвергать химическому трав­лению. Однако в полевых условиях это не всегда возможно. Поэтому присадочную проволоку перед сваркой достаточно подготовить следующим образом: удалить консервирующую смазку обезжириванием любым растворителем, зачистить наж­дачной бумагой средней или мелкой зернистости, тщательно протереть сухой ветошью и обезжирить повторно.

Диаметр присадочной проволоки выбирается в зависимости от толщины свариваемой детали, зазоры в свариваемых соединениях выбираются по табл. 1. Сменные детали горелки (наконечники, сопла, насадки) подбирают по их маркировке в зависимости от режимов сварки по табл. 2. После подбора и слабого закрепления сменных деталей горелки с помощью специального ключа (он имеется в комплекте инструмента) центруют насадки относительно соответствующих им наконеч­ников и плотно закрепляют сменные детали. Сварка стаби­лизированной дугой позволяет сваривать детали толщиной до 10 мм без скоса кромок за один проход при достаточно высоком качестве сварного шва.

dhdhudhndhnydhdhndh171Рис. 2. Схема расположения сварочной горелки и присадочного прутка при сварке стабилизированной дугой: 1 — присадочный пруток; 2 — наружный защитный поток газа; 3 — внутренний стабилизирующий поток газа; 4 — столб сварочной дуги; 5 — горелка СА-367; б — расплавленный металл; 7 — сварной шов

Таблица 2 Рекомендуемый подбор сменных деталей горелки модели СА-367 в зависимости от режимов сварки

dhdhudhndhnydhdhndh172

Электрическая дуга, горящая между электродом горелки и деталью, возбуждается контактным способом. При этом разряд образуется первоначально на торце медного наконеч­ника, а затем анодное пятно переходит на вольфрамовую вставку. В начале сварного шва надо разогреть кромки и соз­дать сварочную ванну. Это делают с помощью медлен­ного возвратно-поступательного или кругового перемещения дуги на небольшом участке шва. После образования свароч­ной ванны длину дуги постепенно увеличивают.

Поскольку ремонт деталей выполняется в полевых условиях, наиболее неблагоприятных для сварки деталей, то перед свар­кой (для уменьшения пористости и других дефектов в свар­ном соединении) целесообразно прогреть кромки деталей ар­гоном, перемещая горелку вдоль кромок с большой скоростью. Рекомендуемая длина дуги при сварке без скоса кромок 5...10 мм, со скосом кромок и в угловых (тавровых) соедине­ниях — 8...12 мм.

Во время сварки ось горелки должна быть расположена под углом 60...80° к поверхности элементов детали. Угол между осью горелки и присадочной проволокой может из­меняться в пределах 70...90°. При сварке же в труднодоступ­ных местах угол наклона горелки к детали может изменяться в более широких пределах. Положение горелки и присадоч­ного прутка при сварке показано на рис. 2. Сварку в нижнем положении выполняют без колебаний горелки. Размеры сва­рочной ванны должны быть по возможности меньше.

Сваривают детали с максимально допустимой скоростью. При этом необходимо стремиться не допустить обрыва дуги. Вводить присадочную проволоку в сварочную ванну надо на некотором расстоянии от столба дуги, но она не должна вы­ходить из зоны газовой защиты. По окончании сварки и в слу­чае перерыва в работе не рекомендуется резко обрывать сварочную дугу.

Для предупреждения трещин в кратерах в местах окон­чания швов, особенно на деталях из термически упрочняемых сплавов, желательно, закончив шов, делать пирамидальную наплавку путем подачи в зону сварочной ванны большого количества присадочного материала, слегка разглаживая шов круговым перемещением дуги. Обрывают сварочную дугу плавным увеличением дугового промежутка, или уменьшением сварочного тока.

При наложении многослойных сварных швов каждый пре­дыдущий шов необходимо зачистить металлической щеткой, а начало нового шва желательно смещать относительно другого на 15...20 мм с тем, чтобы кратеры не лежали на од­ном сечении.

Высокая стабилизация дуги и ее высокая проплавляющая способность обеспечиваются при давлении аргона в газовой магистрали до входа в горелку не менее 200 КПа. Зазор между стабилизирующим соплом и биметаллическим электро­дом должен быть в пределах 0,6...1,5 мм. Чтобы обеспечить работоспособность горелки и высокую стойкость неплавяще­гося биметаллического электрода, давление воды в системе охлаждения на выходе в горелку должно быть не менее 300 КПа при температуре воды не менее +5 °С.

Простота и доступность представленного способа сварки, высокое качество сварного соединения позволяют рекомен­довать сварку стабилизированной дугой прежде всего для теку­щего ремонта деталей в полевых условиях.