Сварка алюминия: оксидная плёнка, TIG на переменном токе, импульсный MIG, присадка 4043 или 5356

Оксидная плёнка и катодная очистка

По данным Fronius, оксид алюминия плавится примерно при 2015 °C, а сам алюминий — около 650 °C. Если плёнку не разрушить, она, по ESAB, мешает формированию ванны и приводит к дефектам шва.

Разрушает её дуга, когда изделие отдаёт электроны: электрод — плюс, изделие — минус. Это катодная очистка. Поэтому TIG алюминия ведут на переменном токе, а MIG — на постоянном токе обратной полярности (плюс на проволоке, как указывает ESAB).

У инверторов с прямоугольным током есть регулировка баланса. ESAB объясняет: проплавление идёт в полуволне EN (минус на электроде), очистка — в полуволне EP. Балансом удлиняют нужную полуволну: больше EN — глубже проплавление, больше EP — сильнее очистка. Для переменного тока ESAB рекомендует вольфрам чистый, с церием или с цирконием.

TIG и MIG: что выбрать

TIG на переменном токе — тонкий металл и видимые швы. Отличия от стали — в подготовке и присадке, о них ниже.

MIG — толщины побольше и серийная сварка. ESAB для тонкого алюминия настоятельно рекомендует импульсный режим: источник чередует пиковый и базовый ток, переносит одну каплю за импульс и не добавляет тепло непрерывно. Короткое замыкание, по ESAB, на алюминии даёт холодные швы с несплавлением — нужен струйный или импульсный перенос.

Газ — аргон. Для тонкого металла ESAB рекомендует чистый аргон, для толстого — смеси аргона с 50–75 % гелия: гелий добавляет тепла и проплавления. Он же помогает против пор: водород успевает выйти из ванны до кристаллизации.

Подача мягкой проволоки

Подача — самая частая проблема при переходе со стали на алюминий, отмечает ESAB. Алюминиевая проволока мягкая: острые кромки роликов её строгают, стружка забивает канал, проволока приваривается к наконечнику.

Что нужно по ESAB:

• Канал и направляющие — из тефлона или нейлона, не металлические.
• Ролики — для алюминия, без острых кромок, соосные, с минимальным достаточным прижимом. Лишний прижим мнёт проволоку и повышает трение.
• Схема подачи. Толкающая подача ограничена длиной: проволока изгибается в канале. Тянущая — трением, особенно на изгибах шланга. Система «тяни-толкай» — самый надёжный способ, а для роботов и автоматов часто обязательный. Альтернатива для коротких работ — горелка с маленькой катушкой на ней.

Мягкие проволоки подавать труднее: ESAB называет 4043 более проблемной, чем более жёсткую 5356.

Присадка: 4043 или 5356

В 4043 около 5 % кремния, в 5356 — около 5 % магния. По каталогу Certilas обозначения по EN ISO 18273 — S Al 4043A (AlSi5(A)) и S Al 5356 (AlMg5Cr(A)), по AWS A5.10 — ER4043 и ER5356.

Что с чем варят по ESAB:

• Сплавы Al-Mg (АМг, серия 5xxx) — присадками серии 5xxx: 5356, 5183, 5556.
• Сплавы Al-Mg-Si (АД31 ≈ 6063, АД33 ≈ 6061) — 4043 или 5356. 4043 обычно устойчивее к трещинам, 5356 прочнее на срез и лучше для анодируемых изделий.
• Литейные сплавы Al-Si — 4043 или 4047.

Подготовка: обезжирить, зачистить, варить сразу

Порядок ESAB такой:

1. Обезжирить растворителем без хлора. Делать это до прихваток, чтобы грязь не осталась в зазоре. Если потом применяли смазку — обезжирить снова.
2. Снять оксид нержавеющей щёткой, которой чистят только алюминий, или абразивом, который не загрязняет металл. Щётку применяют только после обезжиривания.
3. Варить сразу после зачистки.

На чистом сухом металле плёнка тонкая, и дугу она не остановит. Но гидратированный оксид — белый налёт или пятна — ESAB требует снимать механически. Если можно сделать только одну операцию, ESAB советует выбрать обезжиривание.

Поры и горячие трещины

Пористость. ESAB объясняет, что водород хорошо растворяется в жидком алюминии и остаётся пузырями при кристаллизации. Источники — масло и смазки на металле или проволоке, влага, гидратированный оксид, выхлоп пневмоинструмента, которым готовили кромки. При высокой влажности металл покрывается конденсатом даже от небольшого перепада температуры. Проволоку хранят так, чтобы на неё не попадали влага и масло.

Горячие трещины. По ESAB сплавы Al-Mg-Si склонны к кристаллизационным трещинам, поэтому их не варят без присадки. 4043 с кремнием сужает интервал кристаллизации и лучше сопротивляется трещинам. Кратер в конце шва заплавляют: вогнутый или недоваренный кратер даёт трещину.

Разупрочнение ЗТВ и подогрев

Сварка снимает упрочнение в зоне термического влияния. У нагартованных сплавов АМг прочность ЗТВ ниже, чем в нагартованном состоянии. У термоупрочнённых АД31 и АД33 ЗТВ перестаривается, а в стыковых швах, по ESAB, прочность соединения определяет именно она.

Пример по ESAB для 6061-T6 (АД33Т1):

• основной металл — типично 45 ksi, около 310 МПа;
• сварное соединение — типично 27 ksi, около 186 МПа;
• полностью отожжённый металл — 18 ksi, около 124 МПа.

186 / 310 = 0,6: соединение сохраняет около 60 % прочности. AWS D1.2 учитывает это и требует при аттестации технологии не меньше 24 ksi (около 165 МПа). Вернуть прочность может только термообработка всего изделия после сварки. ESAB отмечает, что большинство присадок на неё почти не отзывается — для таких случаев разработана 4643.

Подогрев. Толстые или холодные детали подогревают, чтобы уменьшить перепад температур, — в пределах, допустимых для сплава. У термоупрочнённых сплавов подогрев и межваликовую температуру ограничивают: для 6061-T6 ESAB приводит предел AWS D1.2 — 250 °F (около 121 °C) и выдержку при этой температуре не более 15 минут.

Алюминий, по данным ESAB, проводит тепло примерно в пять раз лучше низкоуглеродистой стали, расширяется почти вдвое сильнее и даёт около 6 % объёмной усадки при кристаллизации. Как ограничить коробление — в статье «Сварочные деформации: как уменьшить». Марки, состояния и аналоги сплавов — в статье «Алюминиевые сплавы АМг, Д16, АД31».