Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ»
Г.М. Сюкасев, Р.Ф. Катаев
ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Технология сварочного производства» Научный редактор: доцент, канд. техн. наук А.А. Фофанов
Методические указания к лабораторной работе №10 по дисциплине «Сварка плавлением» для студентов всех форм обучения специальности 12.05-Оборудование и технология сварочного производства В методических указаниях приведены краткие сведения о свойствах и свариваемости алюминия и свариваемых деформируемых сплавов, о применяемых способах дуговой сварки в защитных газах и особенностях ее технологии. Даны указания о порядке выполнения лабораторной работы, о необходимых материалах и оборудовании. Приведены вопросы для самоконтроля студентам при самостоятельной подготовке их к выполнению работы. © ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2005 Екатеринбург 2005
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
Работа №10 ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Цель работы: получить практические навыки разработки технологии дуговой сварки алюминия и сплавов на его основе. Изучить влияние способа подготовки свариваемых кромок на качество сварных соединений. 1. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ Алюминий - химический элемент третьей группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева (порядковый номер 13, атомный вес 26,9815). Элементарная кристаллическая решетка алюминия – куб с центрированными гранями. В зависимости от содержания примесей алюминий подразделяют: на технический (от 99,85 до 99,0% Al), высокой (от 99,95 до 99,995% Al) и особой чистоты (не менее 99,999% Al). Температура плавления алюминия высокой чистоты (99,996%) 660ОС, технического алюминия (99,5%) – 658ОС. Скрытая теплота плавления алюминия 408,37 Дж/г. Температура кипения 2270...2500ОС, скрытая теплота испарения алюминия 8816...9644 Дж/г. Удельная теплоемкость 0,904 Дж/г⋅град. Плотность отожженного алюминия (99,40...99,75 % Al) при 20ОС 2,703...2,706 г/см3. Предел прочности отожженного технического алюминия 80...110 МПа, нагартованного – 150...250 МПа. Предел текучести 50...80 МПа и 120...240 МПа соответственно. Относительное удлинение отожженного алюминия 32 – 40%, нагартованного – 4...8%. Модуль упругости при нормальной температуре (6,65...7,30)⋅104 МПа. Алюминий обладает большим сродством к кислороду и восстанавливает большинство металлов из их окислов. На воздухе алюминий покрывается окисной пленкой, которая защищает его от дальнейшего окисления и взаимодействия с окружающей средой. Наличие этой пленки обеспечивает сравнительно высокую коррозионную стойкость алюминия в ряде сред: во влажной атмосфере, в концентрированной азотной кислоте, во многих органических кислотах. Однако любое нарушение сплошности окисной пленки вызывает появление очагов коррозии. Алюминий растворяется при нагреве в щелочах, в разведенных азотной и серной кислотах. Применение чистого алюминия для изготовления сварных конструкций ограничено вследствие его низкой прочности. В отдельных случаях его используют в химическом машиностроении, в изделиях для пищевой, электротехнической промышленности. Для сварных конструкций используют различные полуфабрикаты из алюминиевых сплавов (листы, полосы, плиты, трубы, прокат различных профилей). ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.2 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
Для изготовления сварных конструкций разработаны свариваемые сплавы: АД, АД1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД31, АД33, АД35, М40, Д20, ВАД1, АЦМ, В92Ц. Малая плотность при сравнительно высокой прочности, хорошая обрабатываемость режущим инструментом, высокая коррозионная стойкость обуславливают их широкое применение в авиа- и судостроении, производстве химической аппаратуры, строительстве и др. отраслях. 2. СПОСОБЫ ДУГОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ Для изготовления сварных конструкций используют все известные способы механизированной и ручной дуговой сварки: с использованием флюсов – механизированная сварка по флюсу, под флюсом, ручная дуговая сварка покрытым металлическим электродом; в защитных газах – неплавящимся и плавящимся электродом, сварка свободной и сжатой дугой. При выборе способа сварки учитывают требования к сварным соединениям, к внешнему виду сварного шва, допустимые деформации, производительность, универсальность способа, условия выполнения сварочных работ. Выбор способа сварки во многих случаях зависит от толщины металла и типа соединения. Стыковые соединения толщиной до 3 мм предпочтительно сваривать неплавящимся электродом в аргоне. Однопроходную двухстороннюю сварку плавящимся электродом в аргоне применяют при толщинах до 16 мм; в смеси аргона и гелия – до 25 мм; по и под флюсом – до 28 мм. Максимальная толщина листов, свариваемых за один проход однофазной дугой с неплавящимся электродом, 8...10 мм, трехфазной дугой 20...30 мм. Наименьшая толщина стыковых соединений – мм; использование малоамперной сжатой дуги (микроплазменная сварка) позволяет сваривать металл толщиной 0,2 мм. Для тавровых, угловых и нахлесточных соединений предпочтительно использовать сварку плавящимся электродом. Сварку неплавящимся электродом этих соединений рационально применять при толщинах не более 2...4 мм. Ручную дуговую сварку покрытым металлическим электродом рационально использовать при разовом производстве отдельных узлов, изделий или небольших партий, когда нецелесообразно приобретать специальное оборудование. РДС неплавящимся электродом в аргоне целесообразна для выполнения небольшого объема сварочных работ при ремонте, исправлении дефектов, при выполнении коротких швов сложной конфигурации, при необходимости выполнения швов в потолочном и вертикальном положениях.
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.3 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
3. ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В АРГОНЕ 3.1. Сварочная проволока. Подготовка к сварке Для получения сварных швов заданных геометрических размеров и требуемых свойств при сварке неплавящимся электродом в большинстве случаев используют как присадочный материал сварочную проволоку по ГОСТ 7871-75 «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов». Перед сваркой с поверхности сварочной проволоки необходимо удалить консервационную смазку. Обезжиривают проволоку бензином типа «Калоша», уайт-спиритом и органическими растворителями. Для удаления окисной пленки необходима химическая обработка. Наиболее распространена следующая технология химической обработки: • травление в 5%-ном растворе каустической соды NaOH при температуре 60...65ОС в течение 2...3 минут; • промывка в горячей (45...50ОС) воде, затем в холодной проточной воде; • осветление в 15...30%-ном растворе азотной кислоты HNO3 при температуре 60...65ОС в течение 2...3 минут; • промывка в горячей (45...50ОС) воде, затем в холодной проточной воде; • сушка при температуре 60...70ОС до полного удаления влаги. Обработанную проволоку хранят в герметичной таре. Срок хранения ее не должен превышать установленного (как правило, не более 12 часов). Целесообразнее обрабатывать количество проволоки в пределах объема выполняемой работы или сменной потребности. Обработанную провололку во избежание загрязнений поверхности разрешено брать только в чистых перчатках или рукавицах. 3.2. Подготовка деталей под сварку Свариваемые кромки заготовок, деталей должны быть обработаны механическим способом (строжкой, фрезерованием, обработкой на токарных станках). В отдельных случаях допустимо получение заготовок (деталей) резкой механическими ножницами, штамповкой без последующей обработки свариваемых кромок режущим инструментом. Форма и геометрические параметры свариваемых кромок должны соответствовать: ГОСТ 14806-80 – Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры; ГОСТ 27580-88 – Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.4 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
Заготовки (детали) перед сваркой необходимо обезжирить и химическим способом удалить окисную пленку (по приведенной выше в п. 4.1 технологии). Малогабаритные заготовки обрабатывают полностью. Поверхность крупногабаритных заготовок полностью обезжиривают. Окисную пленку допускается удалять химической обработкой только на участке шириной не менее 100 мм от свариваемых кромок с обеих сторон. Если невозможно обработать поверхность этих заготовок химическим способом, то в отдельных случаях после обязательной экспериментальной проверки допускается зачистка стальными проволочными щетками с предварительной и последующей протиркой зачищенных участков поверхности спиртом или ацетоном. Щетки должны быть изготовлены из проволоки диаметром не более 0,2 мм. В процессе работы их необходимо периодически промывать в растворителе. 3.3. Сборка под сварку Сборку под сварку выполняют в сборочно-сварочных приспособлениях. Наиболее рациональны приспособления с зажимами клавишного типа. Приспособление должно быть укомплектовано сменной подкладкой (с формирующей канавкой) из аустенитной стали или меди. Непосредственно перед установкой заготовок в приспособление торцы их свариваемых кромок необходимо прошабрить; подкладку протереть спиртом или ацетоном. Поджатие свариваемых кромок к подкладке допустимо с зазором не более 0,5 мм. Допустимо смещение кромок не более 0,5 мм. 3.4. Режимы сварки и техника выполнения Параметры режима сварки выбирают в зависимости от марки и толщины свариваемого металла, типа сварного соединения. Ориентировочные режимы ручной и механизированной сварки (табл. 6,7) приведены в справочной литературе. Литературные данные требуют экспериментальной проверки и корректировки. При отсутствии сведений в справочной литературе параметры режима определяют экспериментально на образцах из свариваемого При ручной металла. дуговой сварке для предупреждения попадания вольфрама в металл шва сварочную дугу зажигают на технологической планке из того же (свариваемого) металла или графита. Расстояние между поверхностью пластины и электродом устанавливают 1,5...2 мм. (При отсутствии осциллятора сварочную дугу зажигают касанием электрода поверхности пластины). Защитный газ для продувки магистрали подают за 10...15 с до зажигания дуги. После зажигания дуги и разогрева торца электрода ее переносят (не прерывая горения дуги) на свариваемое изделие. Угол наклона электрода к изделию устанавливают равным 60...80О. Угол между вольфрамовым электродом и присадочной проволокой 80...90О. Расстояние между нижним срезом сопла и поверхностью должно быть минимальным (5...10 мм), но достаточным для наблюдения за дугой и формированием сварного шва. Длина выступающей из сопла части электрода обычно равна 2...5 мм при сварке стыковых соедиГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.5 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
нений и до 8 мм при сварке угловых, тавровых соединений. Сварку выполняют при минимальной длине дуги (1...5 мм). Перемещение электрода и присадочной проволоки должно быть равномерным. Нагретый конец присадочной проволоки не должен находиться за пределами газовой защиты. Поперечные колебания присадки и вольфрамового электрода недопустимы. Как правило, ручную дуговую сварку выполняют «левым» способом. Для уменьшения внутренних усилий и деформаций свариваемых узлов, изделий из алюминия и его сплавов при РДС неплавящимся электродом с присадкой и без неё в аргоне используют те же технологические приемы, что и при РДС покрытыми металлическими электродами сталей и сплавов: сварку от середины к краям; обратноступенчатый способ; сварку “каскадом”, “горкой” и т.п. При механизированной сварке сварщик-оператор после установки заготовок в сборочно-сварочном приспособлении проверяет правильность сборки (зазоры, смещение кромок), направление оси электрода вдоль свариваемых кромок, расстояние между торцом электрода и поверхностью заготовок, готовность к работе аппарата. Установив аппарат в начальное (исходное) положение, оператор запускает его. Как правило, в сварочном аппарате после нажатия кнопки “Пуск” предусмотрены: продувка магистрали защитного газа 15...20 с; автоматическое включение осциллятора и отключение его после возбуждения дуги; пуск механизмов перемещения дуги и подачи присадочной проволоки после заданной выдержки времени или при достижении заданного значения сварочного тока. В процессе сварки оператор контролирует параметры режима сварки и положение сварочной дуги относительно свариваемых кромок. Для окончания сварки он использует кнопку “Стоп”. При этом прекращается перемещение аппарата и подача присадочной проволоки. Сварочный ток плавно снижается до обрыва дуги. Подача защитного газа продолжается 25...30 с. после обрыва дуги для защиты нагретого металла и вольфрамового электрода. При многопроходной сварке, при перекрытии (замыкании) швов или их участков, при механизированной и ручной дуговой сварке необходима тщательная зачистка от окисной пленки поверхности ранее выполненных швов или их участков перед выполнением последующих. (Зачистка проволочными щетками (см. п.4.2) с последующей протиркой спиртом или ацетоном).
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.6 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 4.1. Подготовка к работе Планом проведения работы предусмотрена самостоятельная подготовка каждого студента. В процессе подготовки студент изучает специальную литературу и в соответствии с программой дисциплины “Сварка плавлением” выполняет домашнее задание 2. Непосредственно перед работой необходимо изучить материалы настоящих методических указаний. При этом обратить особое внимание на свойства алюминиевых деформируемых свариваемых сплавов, трудности при их сварке и комплекс мероприятий, обеспечивающий получение работоспособных сварных соединений. 4.2. Выполнение экспериментальной части работы Экспериментальную часть работы выполняет звено из 4...5 студентов. Выполнению экспериментальной части предшествует контрольный опрос по материалам самоподготовки. 4.2.1. Необходимые материалы и оборудование (на звено): • образцы (пластины 75х100х1,5...5,0 мм) из алюминиевого сплава АД1 (АМц, АМг6) – 6 шт.; • сварочная проволока Св А5 (Св АМц, Св АМг6) диаметром 3,0 (4,0) мм длиной 700 (450) мм; • аргон высшего или первого (по ГОСТ 10157-79) сорта ≈ 90 л; • электрод вольфрамовый 3,0 (4,0) мм – 1 шт. (на группу); • ацетон, набор химикатов для химической обработки образцов (растворы NaOH и HNO3) по 1,0...1,5 л (на группу); • установка (УДГ-501) для РДС неплавящимся электродом в аргоне или для механизированной сварки сжатой дугой (на базе УПС) со сборочносварочным приспособлением клавишного типа; • машина разрывная для испытания образцов на статическое растяжение (усилие не менее 10 кН); • электроплитка и набор ванночек и инструмента для химической обработки образцов; • инструменты для механической зачистки и обработки образцов (металлическая щетка, шабер, напильники, ножовка); • измерительный инструмент (штангенциркуль, металлическая линейка, УШС-3), лупа 4...10Х. 4.2.2. Разработка технологии сварки Заданием на экспериментальную часть работы предусмотрена разработка технологии сварки стыкового соединения заданной толщины из алюминиевого сплава известной марки. Предлагаемую технологию оформить в виде перечня последовательно выполняемых операций и переходов с указанием ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.7 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
необходимого оборудования, приспособлений, инструмента, параметров режима и контролируемых геометрических размеров. ПРИМЕР ЗАПИСИ ОПЕРАЦИЙ: 015 Сборка Сборочно-сварочное приспособление клавишного типа установки УПС. Универсальный шаблон сварщика УШС-3. 1. Установить пластину по центру формирующей канавки, закрепить горизонтальным рядом клавиш. 2. Установить вторую пластину без зазора с первой и закрепить вертикальным рядом клавиш. 3. Контролировать: смещение кромок – не допускается; зазор между кромками – не более 0,5 мм; зазор между пластинами и подкладкой – не более 0,5 мм. 4.2.3. Сварка контрольных стыковых соединений После проверки преподавателем разработанной технологии звено выполняет сварку трех контрольных стыковых соединений: • соединение 1 из образцов после химической обработки пластин (по разработанной технологии); • соединение 2 из образцов без зачистки их поверхности и торцов свариваемых кромок; • соединение 3 из образцов с поверхностью, зачищенной металлической щеткой. Перед выполнением работы руководитель звена (старший) распределяет обязанности между членами звена. При выполнении всех операций каждый исполнитель должен строго соблюдать требования правил техники безопасности. Перед сваркой каждого контрольного соединения на отдельном образце проверить и при необходимости скорректировать параметры режима сварки (и технику выполнения РДС). 4.2.4. Механические испытания соединений Для определения прочности металла шва контрольных стыковых соединений необходимо изготовить по три плоских образца типа ХХI по ГОСТ 6996-66. При разметке контрольных соединений длина неиспользуемого участка в начале шва должна быть не менее 15 мм, в конце шва - 20 мм. Резку контрольных соединений выполнять на ножницах или ножовкой с последующей обработкой кромок напильниками. Риски после обработки - вдоль кромок. Усиление сварного шва необходимо снять напильником заподлицо с
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.8 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
основным металлом. Направление рисок после обработки - перпендикулярное к оси шва. Каждый изготовленный образец должен быть промаркирован; рабочее сечение измерено с точностью до 0,1 мм. Результаты испытаний оформить таблицей, в которой должны быть указаны: номер образца; геометрические параметры рабочего сечения; рассчитанная площадь поперечного сечения; усилие разрушения; рассчитанные напряжения (прочность металла шва). Для каждой серии образцов необходимо определить среднее значение прочности металла шва и по их величине сделать заключение о влиянии способа подготовки кромок на прочность металла шва. Поверхности изломов каждого образца необходимо изучить. При этом отметить наблюдаемые дефекты, характер излома. Установить характерные дефекты для каждой серии образцов. На основании механических испытаний и анализа поверхности излома образцов сделать общее заключение о влиянии способа подготовки кромок на качество сварных соединений. 4.2.5. Оформление результатов работы Каждый студент оформляет отчет по результатам работы. В отчете должны быть приведены: • название и цель работы; • характеристика свариваемого сплава (хим. состав, механические свойства, сведения о свариваемости); • технология сварки (по п.4.2.2); • результаты механических испытаний образцов на статическое растяжение (по п.4.2.4.) • результаты изучения поверхности излома образцов; •заключение о влиянии способа подготовки кромок на качество сварных соединений.
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.9 из 11
Сюкасев Г.М.,Катаев Р.Ф
Технология дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Киселев С.Н. Газоэлектрическая сварка алюминиевых сплавов.-М.: Машиностроение, 1972. – 176 с. 2. Никифоров Г.Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов – М.: Машиностроение, 1972. – 264 с. 3. Рабкин Д.М., Игнатьев В.Г., Довбищенко И.В., Дуговая сварка алюминия и его сплавов. М.: Машиностроение, 1982. – 95 с.
6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Основные свойства алюминия и его сплавов. 2. Классификация деформируемых алюминиевых сплавов. 3. Причины появления и мероприятия по предупреждению пористости сварных конструкций. 4. Свойства окисной пленки. Дефекты сварных соединений, вызываемые наличием ее на поверхности деталей и присадочного материала. 5. Способы очистки поверхности деталей и присадочного (электродного) металла от окисной пленки. 6. Причины возникновения и мероприятия по предупреждению горячих трещин при сварке алюминиевых сплавов. 7. Причины разупрочнения металла при сварке. 8. Основные способы дуговой сварки алюминия и его сплавов. Недостатки и достоинства их, области рационального применения. 9. Основные этапы разработки технологии сварки: • способы подготовки свариваемых деталей, сборка; • выбор марки сварочной проволоки и подготовка ее для сварки; • выбор режимов сварки и техники ее выполнения. 10. Порядок выполнения экспериментальной части работы.
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2005
Стр.10 из 11
Учебное электронное текстовое издание
Сюкасев Геннадий Макарович Катаев Рудольф Федорович
ТЕХНОЛОГИЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Редактор Компьютерная верстка
Л.Д. Селедкова Н.В. Лутова
Рекомендовано РИС ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Разрешен к публикации 07.11.05. Электронный формат – PDF Формат 60х90 1/8 Издательство ГОУ-ВПО УГТУ-УПИ 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail:
[email protected] Информационный портал ГОУ ВПО УГТУ-УПИ http://www.ustu.ru
