Алюминиевые сплавы используют в сварных конструкциях различного назначения. Основными достоинствами их как конструкционных материалов являются малая плотность, высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость. Чистый алюминий, ввиду низкой прочности, для изготовления конструкций используют в отдельных случаях в химической, пищевой и электротехнической промышленности. Алюминий высокой чистоты применяют в отраслях новой техники, в том числе при производстве полупроводников. В качестве конструкционных материалов в основном используют полуфабрикаты из алюминиевых сплавов. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана.

Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Параметр решетки при 20°С равен 0,404 нм, атомный радиус 0,143 нм. 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 плотного окисной плёнки.

Основные физические и механические свойства алюминия:

Атомная масса …………………………………………………… 26, 98
Плотность при 20оС, г/см3 ………………………………………2, 7

Температура, oС:

плавления ……………………………………………660
кипения ……………………………………………… 2497
Скрытая теплота плавления, кал/г………………………….. 92, 4
Удельная теплоёмкость при 20 оС, кал/ (г . град) ………… 0, 222
Удельное электросопротивление при 20оС, Ом . мм2/м …0, 027 — 0, 030

Модуль нормальной упругости при растяжении
отожжённого алюминия, кг/мм2 при температуре, оС:

20…………………………………………………………….6000 — 7000
200…………………………………………………………...5500

Временное сопротивление, кг,/мм2 :

отожжённого………………………………………………...8
деформированного………………………………………...15

Относительное удлинение алюминия, %

отожжённого …… ………………………………………30 — 40
деформированного……………………………………...5 — 10

Твёрдость НВ алюминия:

отожжённого……………………………………………….13 — 20
деформированного……………………………………….25—35
литого……………………………………………………….13—25
Теплопроводность при 20 оС, кал/(см . сек . град) ……………0, 52
Коэффициент линейного расширения а 20 — 100о, 1/град...23, 8 . 10-6
Предел упругости алюминия отожжённого, кг/мм2 …………..3 — 4

Предел текучести алюминия, кг/мм2:

отожжённого………………………………………………….5 — 8
деформированного………………………………………….12
Модуль сдвига при 20оС, кг/мм2 ………………………………….2760
Предел ползучести при 15оС, кг/мм2 …………………………...5

Относительное сужение алюминия, %:

отожжённого ………………………………………………………...70 — 90
деформированного………………………………………………….50 — 60
Предел прочности при сжатии литого алюминия, кг/мм2 ……42
Ударная вязкость литого алюминия, кг . м/см2 ……………… 14

Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и др.) из деформируемых сплавов. Концентрация легирующих элементов деформируемых сплавов меньше предела растворимости, и при нагреве эти сплавы могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность.

Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термической обработкой. В связи с этим деформируемые сплавы разделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости при 20 0С), и сплавы, упрочняемые термической обработкой (имеющие концентрацию легирующих элементов свыше этого предела).

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся технический алюминий АД1, АД, алюминиево-марганиевый сплав АМц (Аl + 1,3% Мg) и группа сплавов системы А1-Мg: АМг1, АМг2, АМг3 и АМг6. В сварных соединениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и высокой коррозионной стойкости.

Термически упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы могут быть разделены на несколько групп.

1. Дуралюмины - сплавы на основе системы А1-Сu-Мg: Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18.
2. Авиали - сплавы на основе системы А1- Мg-Si и А1-Сu-Мg-Si АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8.
3. Сплавы на основе системы А1-Сu-Мg-Fe-Ni: АК2, АК4, АК4-1.
4. Сплавы на основе системы А1-Сu-Мn: Д20, Д21 и ВАД
5. Сплавы на основе системы Аl-Zn-Mg-Cu: В93, В95, В96, В94.
6. Сплавы на основе системы А1-Мg-Zn: В92, В92Ц, АЦМ.

Из перечисленных сплавов к свариваемым относятся: АД, АД1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, М40, Д20, ВАД1, В92Ц.
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 процесс сварки.
На рис. 1.1 показана кинетическая зависимость окисления алюминия при 20°С

Рис. 1.1. Кинетическая зависимость окисления алюминия при 20°С.

Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050°С) она не растворяется в жидком металле в процессе сварки. Попадая в ванну, она затрудняет сплавление между собой частиц металла и ухудшает формирование шва.
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. Аl2О3 + 6КСl = 2 АCl 3 + ЗК2О
и растворение Аl2О3 в криолите NзАl Р6 с образованием легкоплавкого шлака (МаСl снижает температуру плавления криолита). Криолит не только растворяет Аl2О3, но, изменяя поверхностное натяжение металла, способствует образованию мелкокапельного переноса электродного металла. Остатки флюса и шлака (едкие щелочи) способствуют коррозии алюминия. Поэтому при применении флюсов и покрытых электродов после сварки необходимо смывать остатки флюса и шлака горячей водой.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению (проваливанию) твердого металла не расплавившейся 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 моду¬лем 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. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120 - 150°С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

5. 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 (Fе > 31), что приводит к связыванию кремния в тройное соединение Fе - 31 - А1 входящей в состав тугоплавкой перитектики. Это препятствует растворению кремния в жидком ликвате. При сварке сплавов системы Аl-2n-Мg возможно замедленное разрушение - образование холодных трещин спустя некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напряжений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

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.