Алюминий и алюминиевые сплавы

Первые предположения о наличии в глинах металла были высказаны английским ученым Деви в 1808 г., а в 1825 г. датчанин Эрстед получил первый алюминий. Широкое применение алюминия началось в конце XIX века.

Наиболее характерные свойства чистого алюминия - небольшая плотность (γ =2,7 г/см³) и низкая температура плавления (660°С). По сравнению с железом, у которого γ = 7,8 г/см³, a tnл = 1535°С, алюминий имеет почти в три раза более низкую плотность, вследствие чего алюминий и его сплавы широко применяют там, где малая плотность и большая удельная прочность (σв/ γ) имеют важное значение. Благодаря более низкой температуре плавления алюминия по сравнению с железом технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали. Прокатанный и отожженный алюминий высокой чистоты имеет σв = 58 Mпa, твердость 25 НВ, δ = 40%.

Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления. Несмотря на достаточно высокую химическую активность, алюминий подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах весьма слабо, вследствие образования на поверхности плотной окисной плёнки.

Наиболее чистый алюминий - особой чистоты, содержит 99,999% Аl, сумма всех примесей составляет не более 0,001%. В промышленности в зависимости от требований применяют алюминий высокой чистоты (99,995 - 99,95 % Аl) и технической чистоты (99,85 - 99,0% Аl). Основные (постоянные) примеси, загрязняющие алюминий, это железо и кремний. Основные свойства алюминия позволяют определить три основных направления применения технического алюминия:

1) высокая пластичность позволяет производить из алюминия глубокую штамповку, прокатку до тонкой толщины (например, алюминиевая фольга.);
2) высокая электропроводность (65% от меди) позволяет применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл);
3) высокая коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий, особенно для транспортировки и хранения продуктов питания.

Чистый алюминий не может использоваться как конструкционный материал из-за низких механических особенностей. Поэтому в промышленности используются алюминиевые сплавы. Сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, применяемые в виде проката, поковок и т. п., и литейные, применяемые для отливок. Сварку алюминиевых литейных сплавов (обозначение АЛ) используют при исправлении дефектов литья. Для сварных конструкций чаще используют деформируемые сплавы, которые подразделяются на две группы: термически неупрочняемые (система легирования AL-Мn марки АМц, AL-Mg марки Амг) тирмически упрочняемые - более сложной системы легирования (AL-Mg-Сu; AL-Zn-Mg; AL-Si-Mg). Все термически не упрочняемые сплавы поставляют в отожженном состоянии и поэтому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в зоне термического влияния.

Среди термически не упрочняемых сплавов существует две системы.

1. Система Al + Мn, Это так называемые сплавы АМц. Они характеризуются высокой способностью к сварке, но имеют низкие показатели механических особенностей. Так граница прочности равняется 120 МПа, а граница пластичности - 65 МПа.

2. Система Al + Mg. Для этих сплавов основным легирующим элементом является Mg. В зависимости от его количества в сплаве различают сплавы марок от АМг1 до Амг6. Цифра показывает количество Mg в процентах. Эти сплавы имеют границу прочности 190 ... 400 МПа.

Поскольку сплавы систем Al + Мn и Al + Mg не способны к термическому упрочнению, для повышения прочности используют операцию деформирования в холодном состоянии - наклепа. После этой операции возможно повышение границы прочности на 40 - 60%, но одновременно понижается относительное удлинение на 30 - 50%. Чтобы повысить пластические свойства сплавов после холодной обработки применяют отжиг.

Если сплав прошел наклеп, то к марке стали прибавляется буква "Н", а если сплав после наклепа проходит отжиг - буква "М" (Амг6Н, Амг6М).

Среди сплавов, склонных к термическому упрочнению, существуют такие системы:

1. Al + Mg + Si (авиали). Его сплавы AB, АД31, АДЗЗ, АД35;
2. Al + Mg +Cu (дюралюмины). Существуют сплавы Д1, Д16, Д18;
3. Al + Mg +Zn (высокопрочные сплавы). Их маркируют цифрами 1911,1915,1925.

В таблице ниже приведены показатели механических свойств некоторых сплавов, склонных к термическому упрочнению.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпадения интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется (прочность сварного соединения в этой зоне составляет 60 - 70% прочности основного металла). Поэтому применение сплавов этой группы для сварных конструкций нецелесообразно. Если после завершения сварки возможно осуществить двойную термообработку (закалку и искусственное старение) для восстановления исходных свойств металла в разупрочненном металле зоны термического влияния, применение их для сварных конструкций целесообразно. Эффект естественного старения недостаточен для полного восстановления исходных свойств металла в этой зоне.

Трудности сварки алюминия и его сплавов следующие.

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла Аl₂O₃ (Тпл = 2050°С) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки следует очищать поверхности кромок и прилегающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла (в связи с большой поверхностью и относительно малым объемом), травлением или механическим путем. Окисную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо, применяя флюсы, которые обеспечивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению (проваливанию) твердого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать через корень шва. Размеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически не меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожогов при однослойной сварке или сварке первых слоев многопроходных швов на большой погонной энергии необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости сплав имеет повышенную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью грузов, а также пневмо- или гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой теплопроводности алюминия приспособления следует изготовлять из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали и т. п.).

4. Необходима самая тщательная химическая очистка сварочной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свариваемых кромок, так как сварку осложняет не только окисная пленка. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Водород, растворенный в жидком металле должен в количестве 90 - 95% своего объема выделиться из металла в момент его затвердевания. Этому препятствует пленка тугоплавких окислов и низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии. Поры образуются преимущественно в металле шва; часто наблюдают поры у линии сплавления в связи с диффузией водорода из основного металла под действием термического цикла сварки. Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150 - 250°С при сварке толстого металла замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости. Наибольшей склонностью к порам обладают сплавы типа АМг.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120 - 150°С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкоплавких эвтектик, а также развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%). Легкоплавкая эвтектика на основе кремния (Тпл = 577°С) приводит к появлению трещин, если содержание кремния невелико (до 0,5%); при содержании кремния свыше 4 - 5% образующаяся эвтектика "залечивает" трещины. При обычном содержании кремния (0,2 - 0,5%) в металл шва вводят железо (Fe > Si), что приводит к связыванию кремния в тройное соединение Fe - Si - AL входящей в состав тугоплавкой перитектики. Это препятствует растворению кремния в жидком ликвате.

При сварке сплавов системы AL-Zn-Mg возможно замедленное разрушение - образование холодных трещин спустя некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напряжений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

Способы сварки алюминия и его сплавов

Алюминий и его сплавы можно сваривать многими способами дуговой сварки: угольным электродом, металлическим покрытым электродом, плавящимся электродом по слою флюса, вольфрамовым и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов и электрошлаковой сваркой. Наибольшее в настоящее время имеет ручная и механизированная сварка в инертных газах.