Конструирование сварных конструкций из алюминия и его сплавов

При проектировании конструкций из алюминиевых сплавов необходимо учитывать некоторые их особенности. Так для алюминиевых сплавов при понижении температуры практически не изменяется ударная вязкость. Благодаря этому факту конструкции из алюминиевых сплавов нашли широкое распространение при эксплуатации в условиях низких температур. В тоже время конструкции из алюминиевых сплавов имеют значительно меньшую жесткость по сравнению со стальными из-за более низкого значения модуля упругости (почти в 3 раза). Поэтому элементы конструкции, работающие на сжатия, должны быть соответственно усилены.

Для алюминиевых сплавов характерна высокая чувствительность к концентрации напряжений, что требует тщательной обработки форм конструкции и высокой культуры технологии. Особенно этот факт следует учитывать для свар­ных конструкций, так как сварные соединения являются концентраторами. Сварные швы конструктивно должны быть вынесены из зоны наибольших напряжений.

Алюминиевые швы имеют высокую удельную прочность благодаря малой удельной плотности (в 2,5 раза ниже стали). Наибольшее распространение получили сплавы АВ (Аl + Mg + Si), алюминиево-магниевые (АМг5; Амг6), алюминиево-магниево-цинковые (В92). В этих сплавах в зависимости от состояния и термической обработки пределы прочности стыковых сварных соединений составляют 0,6 ... 0,9 предела прочности основного металла. Целесообразно применение прессованных, штампованных и гнутых профилей.

Алюминиевые сплавы хорошо свариваются контактной сваркой. Современная технология обеспечивает возможность соединения деталей малой и средней толщины. Однако, прочность на отрыв заметно ниже прочности на срез из-за высокой концентрации напряжений в точечных соединениях. Поэтому точки в сварном соединении следует располагать таким образом, чтобы они воспринимали усилия среза, а не отрыва.

Кроме того, алюминиевые сплавы имеют высокий коэффициент линейного расширения (в два раза выше по сравнению со сталями), что приводит к необходимости проведения проверки расчетных усилий по деформированной схеме. При этом, как показывают подсчеты, может оказаться, что возникающие усилия на 20 - 40% превосходят расчетные усилия, полученные по недеформированной схеме.

Относительно низкие значения предела выносливости ограничивают применение алюминиевых сплавов в конструкциях, работающих на динамические и пульсирующие нагрузки.

Пониженная прочность сварных соединений по сравнению с основным металлом приводит к необходимости использования других видов соединения, например заклепочных, болтовых, клеевых.

При проектировании сварных конструкций из алюминиевых сплавов необходимо учитывать особенности получения сварных соединений. Для алюминиевых конструкций применение сварных соединений требует тщательного выбора материала конструкций, электродов и присадочного материала. Уменьшение влияния нагрева при сварке может быть достигнуто путем расположения сварного шва в менее напряженной зоне элемента конструкции. Подобные конструктивные мероприятия допускают изготовление ряда несущих конструкций с помощью сварки.

Под действием кислорода воздуха поверхность металла покрывается тонкой плотной и прочно сцепленной пленкой, которая тот час же образуется вновь после ее нарушения или удаления. Сварка затрудняется тем, что точка плавления окисной пленки 2050°С, а основной металл плавится при 660°С, поэтому препятствующую процессу соединения пленку устраняют химическим травлением. Флюсы после сварки полностью удаляются с поверхности алюминия, так как они оказывают сильное коррелирующее влияние на металл, особенно при наличии влаги. Обычно применяются два вида этого способа: сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (аргоно-дуговая) и сварка плавящимся металлическим электродом в среде инертного газа. В обоих случаях сварочная ванна полностью закрывается экраном инертного газа, препятствующим образованию вновь окисной пленки. При сопоставлении экономичности описанных способов сварки можно сделать следующие выводы: при толщине металла до 8 мм более экономичной является сварка вольфрамовым электродом, а при толщинах более 8 мм самой выгодной следует признать сварку плавящимся металлическим электродом в среде защитного газа. Приведенные соображения надо рассматривать, однако, только как исходные, поскольку экономичность зависит еще от целого ряда других факторов.

При сварке нагартованных и термически упрочненных сплавов вдоль шва образуется отожженная полоса с пониженным сопротивлением.

Если в той или иной конструкции применяются одновременно алюминиевые и стальные детали, что весьма нежелательно, то необходимо устранять непосредственное соприкасание обеих деталей, так как при наличии влаги в местах соединений возникает опасность электрохимической коррозии. Во избежание этого применяют изолирующую защитную окраску или прокладку из полинеобутилена, тиоколовой ленты или ткани, пропитанной грунтом АНГ-1 или АНГ-15. Примененные в соединении стальные заклепки или болты оцинковываются или кадмируются. Замыкающая головка стальной заклепки располагается в этом случае на стальной детали, тогда как под закладной головкой на алюминиевой детали помещается оцинкованная или стальная кадмированная прокладка.