Aluminium welding

Сварка алюминиевого литья

 

Как и большинство деформируемых алюминиевых сплавов литейные алюминиевые сплавы можно, в принципе, также соединять с помощью сварки плавлением.

  • Лучше всего свариваются доэвтектические и эвтектические силумины — алюминиево-кремниевые сплавы.
  • Плохо свариваемыми и несвариваемыми являются литые детали из сплавов типа Al Cu4Ti из-за большого содержания меди — при сварке образуются термические трещины.
  • При сварке литых алюминиево-магниевых сплавов с горячим растрескиванием борются подбором подходящей сварочной проволоки.

Сварка алюминиевого литья

Современные литейные сплавы и методы литья дают конструктору огромную свободу при проектировании отливок. Тем не менее, сварка становится все более важной для соединения литых алюминиевых деталей. Ее применяют для соединения двух или более деталей, которые удобно отливать по отдельности, например из двух половинок, потому что часто отливать такую деталь цельной очень трудно или неэкономично.

Еще шире сварка применяется при ремонте алюминиевых литых деталей, в том числе, при устранении дефектов литья. Сварку активно применяют для корректировки размерных отклонений литой детали, восстановления изношенной детали путем наварки на нее металла, а также, конечно, для ремонта сломанных деталей.

Методы и материалы для сварки литейного алюминия

Наиболее часто для сварки литых алюминиевых деталей применяют дуговую сварку металлическим электродом в среде инертного газа (сварка методом MIG) и дуговую сварку вольфрамовым электродом также в среде инертного газа (сварка методом TIG). В качестве инертного газа чаще всего применяют аргон.

Сварка литейного алюминия методом MIG

При сварке методом MIG — методом дуговой сварки в среде инертного газа — между плавящимся электродом и изделием постоянно горит электрическая дуга. Процесс идет при постоянном токе, а проволочный электрод действует как положительный полюс. Сварку проводят под защитой инертного газа, чтобы защитить расплавленную область от вредного воздействия кислорода и влаги, содержащихся в воздухе. В качестве защитных газов применяют аргон и гелий или их смесь. Чаще, однако, используют более дешевый аргон.

Метод сварки MIG подходит для ручной, полуавтоматической и автоматической сварки. Когда обеспечивается хороший отвод тепла от места сварки, то можно получать относительно узкую термическую зону шва, а также удовлетворительную прочность и пластичность сварного шва.

Импульсная сварка методом MIG дает возможность выполнения трудных сварочных задач, например, сварку стенок толщиной около 1 мм.

В настоящее время именно сварку методом MIG применяют для сварки алюминия чаще всего. Это связано с более простым управлением процессом сварки, более дешевым оборудованием и меньшими эксплуатационными расходами.

Дуговая сварка вольфрамовым электродом (ТIG)

При сварке методом ТIG — методом дуговой сварки в среде инертного газа — электрическая дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и изделием. Для сварки алюминия обычно применяется переменный электрический ток. Сварочная проволока вводится отдельно вручную или механически.  Сварку ведут под защитой инертного газа, чтобы защитить расплавленную область от вредного воздействия кислорода и влаги, содержащихся в воздухе. В качестве защитных газов применяют аргон и гелий или их смесь. Чаще всего сварку TIG ведут при переменном токе с аргоном, который дешевле. Сварку MIG ведут в основном вручную, но там, где это возможно применяют и автоматическую сварку.

Одним из вариантов сварки TIG является сварка с отрицательной полярностью электрода, как это делается при сварке стали, с применением постоянного тока и под защитой гелия. По сравнению с аргоном гелий обладает более высокой теплопроводностью и это позволяет применять меньший ток для разрушения оксидной пленки на алюминии. Как следствие, электрод не перегревается. Метод сварки TIG также имеет импульсные технологические варианты.

TIG или MIG?

По отношению к пористости сварного шва самые чистые швы дает метод сварки TIG. Одним из недостатков метода TIG является слишком большой поток энергии в место сварки. Это приводит к значительному размягчению зоны сварочного шва, что, впрочем, характерно и для метода сварки MIG. Метод сварки ТIG считается более удобным для ремонта мелких дефектов литых алюминиевых деталей. По сравнению со сваркой MIG, однако, сварка методом TIG идет с более низкой скоростью.

Подготовка к сварке алюминиевой литой детали

Для того, чтобы получить хороший сварной шов, необходимо соблюдать некоторые «правила». Способы подготовки к сварке зависят от методов сварки, толщины соединяемых стенок, типа алюминиевого сплава. Чрезмерный оксидный слой на алюминии иногда снимают механической обработкой. При зачистке поверхности шлифовальным инструментом не применяют синтетические шлифовальные диски во избежание возникновения пористости.

Другим возможным способом удаления оксидов с поверхности детали является ее травление. Жиры и грязь из сварочной зоны должны быть удалены подходящим способом с оглядкой на возможное образование пор. Детали с толстыми стенками перед сваркой необходимо подогревать.

Сварочная проволока по ISO 18273

Сварочная проволока является стандартизированной продукцией. Требования к химическому составу сварочных материалов для литейного алюминия определяет международный стандарт ISO 18273 (он же EN 18273). Выбор сварочной проволоки зависит от материалов, которые будут свариваться. Для наиболее часто применяемых алюминиевых литейных сплавов, таких как доэвтектические и эвтектические силумины, а также термически упрочняемых сплавов типа  Al Si10Mg и Al Si5Mg, рекомендуются сварочные материалы S-Al Si12 и S-Al S5.

Большой опасностью при сварке является тенденция многих материалов образовывать трещины во время перехода из жидкого в твердое состояние. Причина этих трещин — растягивающие усадочные сварочные напряжения, которые возникают при охлаждении сварного шва. Часто количества фаз с низкой температурой плавления в сварочной проволоке оказывается недостаточно для залечивания возникающих трещин. Выбирая более мягкую сварочную проволоку с большей долей таких фаз эту опасность можно снизить. Однако необходимо иметь в виду снижение при этом прочностных свойств сварного шва.

Анодирование сварных алюминиевых отливок

Декоративное анодирование сварных швов из упомянутых выше сварочных сплавов невозможно, так сварочный шов будет выглядеть намного темнее основного алюминия. Анодирование для повышения стойкости к коррозии или повышения адгезии, конечно, всегда возможно.

Castings processes for weld rework

Aluminum castings are created using many different castings processes. Some of the more notable ones include:

  • die casting,
  • investment casting,
  • permanent mold casting,
  • green sand casting.

Sand castings, investment castings, and permanent mold casting are all considered completely weldable. In this case, molten aluminum is cast into a mold that possesses somewhat poor thermal conductivity properties. So the castings take more time to solidify and all of the gasses from the molten aluminum have a chance to escape out [2].

But die casting is the odd one out here. The processes used here involve molten aluminum which is pressure-injected into a water-cooled steel mold. Due to the casting cooling down much quicker, in this case, the created gasses are not able to escape. This results in the creation of gas pockets in the castings themselves. These gas pockets make things very inconvenient for welders as you have to grind them out or repair weld them [2].

There are a few ways to determine whether you are dealing with die casting. The first and most notable way is looking at the surface. If it is smoother than other castings, then it is definitely a die casting.

Recomendations for welding aluminium casting

Welding is another molten metal process. The correct manufacturing steps can be defined, and the details will depend on the specific defect. Weld rework of aluminum castings incudes key steps to achieve high quality welds.

Those steps can be summarized as follows [3]:

  • Prepare the weld area. Remove the defect and remove the oxide layer with a brush or solvent.
  • Preheat before welding. Preheat generally improves welding results. The usual range is 100–300 0C). Generally, aluminum alloys containing copper are welded at the higher end of that temperature. Castings will usually be welded in the as-cast condition but sometimes defects will not be uncovered until after heat treatment, so they are welded in the T6 or T7 condition. In 200 series alloys or for castings that require extensive repairs, it is recommended that T6 or T7 tempered castings be annealed before welding to avoid cracking.
  • Use weld rod that matches the chemistry of the casting or an approved substitute. Chemistry control in welding is as important as it is in melting for casting. Use of a general-purpose rod across all alloy systems will result in reduction of mechanical properties and color mismatches even though welding may be “easier.”
  • After welding, the weld needs to be dressed back to part contour. A common complaint of customers about welded castings is the weld has not been cleaned or there is a color difference. If a weld repair is noticeable with casual viewing, the repair has not been done correctly.
  • Heat treat after welding. Even though a good weld will have little porosity and a fine structure, mechanical properties will not be met if the repaired casting is not heat treated to the specification. Heat treatment will also eliminate the residual stress that may have been caused by the welding process.

Источники:

  1. Welding and joining aluminium castings //Aluminium Casting Alloys – Материалы фирмы Aleris, 2011
  2. workshopinsider.com/welding-aluminum-castings/
  3. moderncasting.com/articles/2020/01/07/recommendations-welding-aluminum-castings