Лазерная сварка алюминия — технология, условия, способы, оборудование

Легкий, серебристый металл сегодня прочно закрепился в домашнем хозяйстве. Что только не производят из алюминия — от посуды до деталей автомобилей. Но часто нужно починить вещь, а ремонт возможен только одним методом — сварочным.

Специфика материала

Сварка алюминия затрудняется его химическими и физическими свойствами.

Все дело в способности этого металла образовывать оксидную пленку от контакта с атмосферным кислородом. Эта способность является как главным достоинством, так и недостатком.

Преимущество в том, что оксид на поверхности надежно защищает изделие от коррозии, алюминий практически не поддается этому разрушающему процессу.

Но, в то же время, пленка окиси затрудняет соединение изделий путем сварочных работ. Окислы, образующиеся в сварочной ванне, имеют более высокую температуру плавления, чем сам металл, на выходе сварной шов неоднородный, а значит не прочный.

Также сильный нагрев, значительно превышающий температуру плавления (660°), приводит к следующим негативным последствиям.

• Текучесть расплавленного металла способствует вытеканию его из зоны сварки и быстрому прожиганию детали насквозь. Заварить такие недостатки можно, но с еще большими дефектами.
• Высокая температура может способствовать растрескиванию материала вокруг места сваривания.
• В сплавах алюминия образовываются поры ухудшающие прочность соединения.
• Значительная теплоемкость приводит к рассеиванию тепла по всей детали, а значит нужно более высокая мощность аппарата для качественной сварки.
• Металл образовывает кристаллизационные трещины в теле сварного шва.

Так как варить алюминий правильно и возможно ли делать такие соединения в домашней мастерской?

Действие лазера

Суть сварки лазером заключается в том, что излучение, проходя через фокусирующую систему, концентрируется в определенной точке. Все, что попадает в эту точку, подвергается сильнейшему термическому воздействию.

Похожие процессы происходят при разжигании огня с помощью лупы. Так как лазерное излучение монохромное и когерентное (с постоянной разностью фаз в пространстве или времени), то используя обычную оптическую линзу можно получить высокую концентрацию энергии на очень маленькой площади.

В месте концентрации луча металл быстро расплавляется. Для формирования сварного шва достаточно убрать лазер или расфокусировать его. Благодаря маленькой области термического воздействия в свариваемом материале практически отсутствуют деформации. Шов получается тонким и не требует дальнейшей обработки.

Область применения лазерной сварки

Как уже говорилось, лазерной сваркой можно соединять детали с любыми габаритами, но наиболее хорошо отработана сварка деталей малой и средней толщины (5-10мм). На практике широкому внедрению этого способа сварки препятствуют соображения экономической целесообразности вследствие высокой цены технологических лазеров и другого оборудования. Экономически целесообразно применение этого вида сварки лишь в тех случаях, когда применение других видов невозможно, или сопряжено с какими-либо трудностями.

Лазерную сварку целесообразно применять в тех случаях, когда форма и размеры свариваемой конструкции не должны существенно изменяться в процессе сварки, из чего следует, что применение этого процесса способно обеспечить минимальные деформации и напряжения при сварке.

Также данный вид сварки значительно упрощает технологию изготовления изделия, т.к. сварка выполняется как заключительная операция, обеспечивая необходимую точность, и последующие операции правки или механической обработки отсутствуют. А учитывая, что лазерная сварка является высокопроизводительным процессом, выполняемым на скоростях 100-200 м/ч, что превышает скорость обычной дуговой сварки в несколько раз, это делает её применение целесообразным при изготовлении крупногабаритных конструкций, не обладающих большой жёсткостью и со сварными швами, расположенными в труднодоступных местах.

Также этот вид сварки хорошо подходит для соединения трудносвариваемых материалов, в том числе и разнородных, при этом, в отличии от электронно-лучевого вида сварки, не требуется наличия вакуумных камер.

Нюансы и тонкости сварки

К уникальным свойствам алюминия, которые объясняют его широкую популярность, можно отнести достаточно низкую температуру плавления, за счет чего возможна даже его пайка, а также высокую теплопроводность, которая увеличивается в расплавленном состоянии.

Он активно используется практически во всех производственных сферах.

При выполнении сварки алюминия своими руками, основной проблемой выступает его повышенная способность окисляться.

Это явление характерно и в том случае, когда проводится точечная сварка алюминия или выполняется его пайка.

В этом случае на поверхности металла начинает скапливаться тонкая пленка.

Нейтральное состояние алюминия исключает возможность использования флюсов, как при дуговой сварке постоянным или переменным током, так и тогда, когда проводится ультразвуковая сварка, и также при использовании осциллятора.

За счет высокой прочности этого металла, образование окиси на его поверхности создает определенные трудности.

Довольно часто в качестве материала для электродов, используемых для выполнения дуговой сварки алюминия, выступает вольфрам.

На фото ниже можно увидеть аппарат для выполнения дуговой сварки алюминия.

Легче всего варить алюминий теми электродами, в состав которых входит вольфрам. Кроме этого, для его сварки используется специальная присадочная проволока.

Присадочная проволока в своем составе содержит некоторые элементы, которые снижают окисляемость.

Какой материал выбрать в качестве электрода, каждый решает сам, при этом важно учитывать особенности этого металла.

Своими руками сварить поверхность тонколистового или листового алюминия можно с помощью газовой горелки.

В некоторых отдельных случаях выполнить соединение небольших деталей помогает пайка.

Непременно перед началом работ производится подготовка поверхности алюминия, которая очищается от грязи, а также обезжиривается.

Это следует делать, даже если предполагается использование сварочного аппарата, осциллятора или будет применена ультразвуковая сварка.

При этом схема работ в каждом случае будет своя, отвечающая требованиям ГОСТ. Для того чтобы швы свариваемых деталей имели высокую плотность, используется присадка — присадочная проволока.

Рекомендуется перед началом осуществления работы своими руками проконсультироваться со специалистами и выяснить все тонкости и нюансы по сварке алюминия.

На фото ниже можно увидеть, как выполняется ультразвуковая сварка алюминиевых деталей.

Способы сварки

Достаточно эффективно в домашних условиях для соединения алюминиевых сплавов использовать аргонно-дуговую сварку, которая предполагает использование электродов, основным материалом которых является вольфрам.

Вольфрам дает возможность исключить применение различных флюсов. Следует отметить и то, что вольфрам при варке алюминиевых сплавов дает некоторые технические преимущества.

При этом электрод, в основу которого входит вольфрам, может быть даже стальным, конечный результат все равно будет положительным.

Вольфрам подходит для сварки тонколистового и листового сплавов, различных деталей, при этом схема сварки достаточно простая.

Вольфрам дает возможность обеспечить защиту сварной ванны за счет своих некоторых свойств, тем самым получив на выходе качественный и плотный шов.

В этом случае предполагается использование сварочного аппарата для аргонно-дуговой сварки, работающего под постоянным током.

Достаточно хорошо материалы из алюминиевых сплавов свариваются точечным способом.

В этом случае к недостаткам можно отнести высокую теплопроводность сплавов, а также быстрое плавление металла.

Такая работа требует от исполнителя работ высокой скорости для того, чтобы используемый электрод мог перемещаться одновременно с материалом.

В некоторых случаях сплавы металла свариваются при помощи контактной сварки. В этом случае используется специальная проволока, отвечающая ГОСТ.

Видео:

При сварке сплавов из данного металла многие специалисты настоятельно рекомендуют использовать специальное оборудование — осциллятор.

Осциллятор представляет собой оборудование, которое состоит из трансформатора, специального разрядного устройства, а также контура колебания.

Любой осциллятор формирует подвод на сварочную цепь тока не только с высоким напряжением, но и с высокой частотой.

Между собой эти устройства условно подразделяются на те, которые имеют непрерывное действие и те, которые имеют импульсное питание.

Осциллятор формирует достаточно устойчивую сварочную дугу с заданными параметрами, которые отлично подходят для сварки сплавов металлов.

Следует отметить то, что осциллятор можно также использовать в инертной газовой среде.

Также для сваривания сплавов цветных металлов подходит ультразвуковая сварка, которая подразумевает использование в процессе давления.

При помощи такого типа сварки сплавов удается добиться пластической деформации шва и получить в результате устойчивое и прочное соединение.

В большинстве случаев ультразвуковая сварка используется на специализированных промышленных предприятиях, где соединяют между собой самые различные материалы из цветных металлов.

Вне зависимости от вида и типа сварки деталей из данного цветного металла, разработан определенный ГОСТ, который и регулирует порядок и правила выполнения работ.

Иногда, преимущественно на крупных производствах используется плазменная сварка. Плазменная сварка имеет свои преимущества — быстро, четко и точно по чертежу.

Но применяется плазменная сварка чаще для алюминиевых сплавов. В частности применяется автоматическая плазменная сварка, когда подается присадочная проволока.

Такая «традиционная» плазменная сварка подходит для однопроходной сварки стыковых швов, где используется присадка.

Например, такая плазменная пайка применяется при изготовлении газовых баллонов из сплава АМг5 , что позволило повысить эффективность производства за счет снижения брака.

Плазменная сварка обеспечила 100% качество сварных швов при однопроходной сварке без разделки кромок.

Особенности сварки алюминия

Особенности сварки алюминия, относятся к созданию определенных условий для работы с этим металлом.

Все способы сварки алюминия не могут производиться в грязном цеху, а только в том помещении, где нет большого количества пыли. Также при средней температуре воздуха 18 – 22 градусов по Цельсию и, где относительная влажность на уровне 70 %.

Метод проведения работ:

• Оксидная пленка на поверхности алюминия, начнет плавиться только при температуре выше 2000 градусов.
• Учитывая, что теплопроводность этого металла одна из самых высоких, сварка алюминия электродом должна вестись короткой дугой и при большой мощности. Перед началом работы электроды нужно просушить.
• Использование сварочного оборудования для сварки алюминия должно учитывать, что при высокой теплопроводности, металл имеет низкую температуру плавления, а значит его легко можно прожечь насквозь.
• При любом методе сварки алюминия, в конце работы на готовом шве образуется кратер. Его заварка требует особого умения.

Подбираете средства защиты для проведения сварочных работ. Узнайте, как выбрать сварочную маску хамелеон, сравнение моделей и типов конструкции.

Современные полипропиленовые трубы можно прокладывать и соединять даже самостоятельно. Здесь описано, как пользоваться сварочным аппаратом для сварки полипропилена.

Дабы избежать лишних проблем, сварка по алюминию должна быть тщательно подготовлена. Выбор скорости сварки должен быть в пользу более быстрой. Работу одним электродом нужно проводить беспрерывно.

Наиболее приемлемой является технология сварки алюминия, где вначале используется химический способ обработки поверхностей. Так что без обезжиривания металла и электродов, процесс лучше и не начинать.

А чтобы действие такого пилинга было более эффективным, перед обработкой металла, его можно тщательно зачистить щеткой.

Сварка алюминия электродами

Такой способ сварки алюминия (ММА) возможен только для соединения деталей, не несущих ответственной нагрузки. При этом толщина самого металла должна быть не менее чем 4 миллиметра.

Недостатками варки алюминия электродами является недостаточное качество шва (пористость и плохая прочность). Также в процессе сваривания расплавленный металл разбрызгивается вокруг соединения, а шлаки, образующиеся сверху шва, очень плохо отделяются. А это может привести к коррозионным процессам.

Но все-таки покрытыми электродами и обычным инвертором ММА можно соединять алюминий. Для этого раньше использовались расходники с маркировками ОЗА-1 или ОЗА-2. Есть и более качественные модели — УАНА, а также ОЗАНА. Это отечественные электроды, позволяющие варить чистый металл и сплавы.

Также можно использовать расходные материалы от шведских производственников ESAB. Для чистого алюминия подойдут электроды ОК 96.10., а сплавы можно варить маркой ОК 96.50.

Итак, как сварить алюминий ручной электродуговой сваркой?

• Сваривать алюминий нужно на постоянном токе, но обязательно с обратной полярностью (меняем разъемы на инверторе местами). При этом соблюдается соотношение мощности и диаметра электрода. Сила тока регулируется в соотношении приблизительно 30 ампер на каждый миллиметр диаметра.
• Желательно осуществить предварительный нагрев свариваемых деталей. Алюминий средней толщины нагревают до показателя в 200-300 градусов, а большие массивные части нужно нагреть до 400°.
• Дуга зажигается как обычно, но стоит учесть, что скорость горения электродов для алюминия значительно выше, чем обычных. Поэтому и шов нужно вести несколько быстрее.
• Нельзя обрывать сварочный процесс не закончив соединение. При этом в конце шва образуется корка шлака, которая не даст зажечь дугу снова в этом месте. Все свариваемые швы нужно планировать на плавление одного электрода.
• При ведении сварного соединения не нужно делать поперечных движений как при варке стали.
• По окончанию сваривания нужно тут же удалить весь шлак в месте соединения, также нужно зачистить место сварки щеткой с металлическим ворсом и промыть горячей водой.

Это основные нюансы, которые нужно соблюдать при сваривании деталей из алюминия с использованием плавящихся электродов.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов характеризуется рядом особенностей, связанных с взаимодействием расплавленного металла с газами окружающей среды, испарением легирующих элементов, образованием оксидной пленки на поверхности панны, затрудняющей качественное проведение сварочного процесса. Основные трудности сварки алюминия и его сплавов в большинстве своем устраняются применением концентрированных источников энергии, к которым относятся лазерный и электронный луч.

Под лазерную сварку соединяемые поверхности подготавливают также тщательно, как и под дуговую, включая механическую обработку, травление с последующим осветлением, промывку в горячей воде и зачистку шабером непосредственно перед сваркой.

Лазерную сварку осуществляют в среде защитных газов. Обычно рекомендуется использовать гелий для защиты верхней части сварочной ванны, а для корневой части шва может быть использован аргон. Расход гелия должен быть не менее 7—8 л/мин, а аргона 5—6 л/мин.

Таблица 6.2. Оптимальные режимы сварки алюминиевых сплавов излучением СО2-лазера

При лазерной сварке алюминиевых, сплавов (табл. 6.2) наблюдается характерная особенность расплавления металла лишь при определенном уровне мощности и плотности мощности. Например, для сплава АМг6 пороговая мощность излучения СО2 составляет 2—2,2 кВт. При этом сразу достигается глубина проплавления 1,5—2,0 мм, а при меньших значениях мощности проплавление полностью отсутствует. Это обстоятельство связано с высоким коэффициентом отражения алюминиевой поверхностью и последующим резким снижением отражения после начала плавления.

Прочность сварных соединений толщиной 2,0 и 3,0 мм составляет не менее 0,9 от прочности основного металла при сварке без присадочной проволоки (табл. 6.3). Разрушаются соединения преимущественно по шву.

Таблица 6.3. Механические свойства основного металла (числитель) и сварных соединений (знаменатель) из сплава АМг6

Примечание. Материал толщиной 4.0 мм нагартован.

Сварные швы магниевых сплавов, выполненные лучом лазера, хорошо формируются, не образуя провисания при сварке на весу. Это позволяет в отличие от дуговой сварки осуществлять лазерную сварку без применения подкладок, что существенно упрощает технологию изготовления, особенно крупногабаритных конструкций.

Механические свойства сварных соединений, выполненных лазерным излучением с оптимальными параметрами режимов (табл. 6.4) находятся на уровне соответствующих свойств основного металла.

Таблица 6.4. Режимы лазерной сварки магниевых сплавов непрерывным излучением СО2

Холодная сварка алюминия

Соединить части из этого металла, можно и без сварочных работ. Специальный клеящий состав способен замазать трещины и дыры в автомобилях, алюминиевых оконных профилях, баках, радиаторах, судах и тому подобном.

Холодная сварка для алюминия – это очень пластичные замазки по структуре, созданные на основе эпоксидной смолы, что дает им возможность при высыхании образовывать плотную твердую поверхность. В продаже она доступна, как ремонтный стержень, заполненный особым составом.

Нужное количество субстанции отрезается, затем его нужно тщательно размять в течение нескольких минут, а потом этой эластичной массой заклеить дыру или трещину.

Многие умельцы предпочитают не мучатся с агроном, а использовать такой метод при сварке алюминиевых радиаторов.

Алюминий и его сплавы нашли широкое использование во всех промышленных отраслях. Но сварочные работы с ними осложняются тем, что при высокой температуре они чрезвычайно быстро окисляются и плавятся.

Главное в таком процессе – разрушение этой пленки при сохранении целостности металла. Для качественного проведения работ нужно учитывать толщину металлических частей, а также то, что этот металл при малой плотности имеет высокую удельную прочность.

Преимущества

Технология лазерной сварки алюминия обладает рядом преимуществ, которые делают данный способ одним из наиболее приемлемых для этой сферы. Среди них стоит отметить:

• Высокое качество шва при соединении трудно свариваемого металла;
• Для соединения не нужно проводить длительные предварительные процедуры, а также нужна тщательная механическая обработка;
• Лазерная установка обладает высокой точностью проведения процесса;
• Есть возможность создавать швы сложной формы, которые будут практически не заметны из-за свой толщины;
• Установка работает в экологически безопасном режиме, так что не загрязняет окружающую атмосферу и не выпускает удушливые для людей газы;
• Технология обладает высоким уровнем производительности;
• Процесс происходит достаточно быстро и нередко является автоматизированным;
• Близлежащий к шву металл практически не подвергается тепловому воздействию, что помогает ему полностью сохранять изначальные свойства.

Недостатки

Помимо преимуществ, у технологии есть и ряд серьезных недостатков, которые усложняют ее распространение среди других сфер применения:

• Повышенная стоимость на технику для проведения процедур;
• Немалая себестоимость процесса;
• Плохо работает с большой толщиной металла;
• Подходит только для узкого перечня изделий из алюминия;
• Очень низкий коэффициент полезного действия, что приводит к высоким и нерациональным энергозатратам, эффективными из которых являются только 2%.

Принцип работы

Принцип работы лазерной сварки основан на тепловом воздействии лазера. Появилась эта технология, примерно, в 60-х годах, как только был изобретен лазер, который может работать непрерывно. В производстве сразу оценили его преимущество воздействовать узконаправленным лучом энергии на определенный участок. Силы мощных установок вполне хватало, чтобы расплавить металл.

Лазер зарождается в головке устройства, которая формирует тонкий пучок энергии.

«Важно!

Чем более тонко сделан пучок, при одной и той же силе энергии, тем большую он имеет температуру.»

Регулировка толщины пучка позволяет регулировать силу лазера, что в свою очередь обеспечивает установку различных режимов для сварки. Когда лазер включается и направлен на место создания шва, то при соприкосновении с поверхностью часть световой энергии отражается от металла. Остальная часть при соприкосновении с алюминием проникает внутрь него. Давление, которое создается лучом на конкретное место, приводит к тому, что преобразуется в тепловую энергию. Это приводит к разогреванию и расплавлению металла. В итоге, в намеченном месте плавятся кромки и металл расплавляется, образуя на месте соединения однородную массу.

Лазерная сварка алюминиевых сплавов

Технология

Технология лазерной сварки алюминия и алюминиевых сплавов не требует создания условия вакуума в отдельной камере. Это быстрый процесс, который требует только тщательной подготовки. Поверхность металла следует очистить от загрязнений, пленок жира и прочих лишних вещей. Это касается преимущественно места соединения. Сварка может проходить практически в любом пространственном положении. Соединение должно быть стыковым, так как внахлест сварку провести не получится. Зачастую не требуется и наличие припоя, так как впритык соединенные кромки сплавляются в месте соединения, сами образуя наплавочный материал.

Техника безопасности

Установка должна быть исправно и ее нужно проверять перед использованием. Не стоит ее направлять на людей и легко возгораемые предметы. На пути лазера не должно быть ни каких посторонних предметов, что могло бы привести к травме или пожару.

Заключение

Лазерная сварка алюминия является одним из тех способов, которые помогают работать с этим металлом без особого риска возникновения брака. Практически все другие, более простые, виды сварки, не всегда справляются с этой задачей. С ее помощью легче всего работать с листовым металлом небольшой толщины.

Видео: лазерная гибридная сварка

Дополнительные материалы по теме:

Меры безопасности

При работе с лазерной сваркой использование очков обязательно. В стационарных установках должны быть защитные экраны, не позволяющие оператору попасть в рабочую зону лазера. Предусматриваются системы блокировки работы лазера при нарушении рабочей зоны персоналом.

Стены помещения покрываются матовой краской имеющей минимальную отражающую способность. В автоматических системах пульты управления и контроля находятся за пределами рабочего помещения.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...