Частые ошибки при сварке алюминия


Предпосылки
В большинстве случаев проектировщики металлоконструкций начинают осваивать свое ремесло со стали. Однако при работе с алюминием не стоит полагаться на предыдущий опыт работы со сталью или любыми другими материалами. В этом случае при выборе сплава, типа соединения и процесса сварки следует учитывать характеристики основного металла. Хотя алюминий следует тем же законам механики, что и любые другие металлы, его сварка требует совершенно иного подхода. Несмотря на это, проектирование и сварка алюминиевых конструкций вовсе не обязательно сложнее, чем стальных — просто они другие.


Не выбирайте сплавы с самыми высокими механическими характеристиками

Алюминий в качестве конструкционного материала выбирают в тех случаях, когда остро стоит вопрос снижения веса. Поэтому очень часто конструктор выбирает сплавы с самыми высокими механическими характеристиками. Но нескольким причинам это решение неоправданно. Во-первых, часто главным ограничивающим фактором оказывается не прочность, а прогибание. В таких случаях расчеты должны основываться на модуле упругости, а не прочности на растяжение. Модуль большинства алюминиевых сплавов, будь то с высокими или низкими механическими характеристиками, примерно одинаков (и составляет одну треть от эластичности стали), поэтому использование высокопрочных сплавов себя отнюдь не оправдывает. Вторая, и еще более важная причина — многие из высокопрочных алюминиевых сплавов не поддаются сварке традиционными методами.


Алюминий: частые ошибки проектирования


 

Когда говорится о том, что тот или иной сплав алюминия «поддается» или «не поддается» сварке, обычно имеется в виду возможность проводить сварку без образования горячих трещин. Сплавы, которые очень склонны к образованию горячих трещин, считаются не подходящими для использования в качестве конструкционных (несущих) металлов, и обычно относятся к категории непригодных к сварке. Образование горячих трещин в алюминии в основном зависит от состава основного и наплавленного металла. Как видно из Рисунка 1, при использовании различных сплавов наблюдается значительное изменение склонности к образованию горячих трещин. Поэтому состав поддающихся сварке сплавов должен оказаться намного больше или намного меньше пикового значения графика склонности к растрескиванию. Иногда, например, в случае сплава 6061, который очень склоннен к растрескиванию при сварке без присадочного материала, этот риск можно сократить до приемлемого уровня за счет добавления кремния или магния. Это позволит изменить свойства металла так, чтобы он не достиг критического уровня чувствительности к растрескиванию. В других случаях, например, сплава 7075, невозможно добиться такого состава присадочного материала, который позволил бы предотвратить образование трещин. Такие сплавы считаются непригодными для сварки.


Алюминий:: частые ошибки проектирования
Рисунок 1:

 

Сплавы алюминия делятся на две группы: пригодные для тепловой обработки и не пригодные. Также они классифицируются по относительной пригодности для сварки.

Сплавы, которые не поддаются тепловой обработке, включают серии 1XXX, 3XXX, 4XXX и 5XXX. В их случае тепловая обработка не позволяет повысить механические характеристики. Этого можно добиться только холодной обработкой (которая также называется механическим упрочнением). Сплавы 1XXX, например, 1100, 1188 и 1350 по сути представляют собой чистый алюминий (99+%). Они относительно мягкие и непрочные, имеют высокую коррозионную устойчивость и обычно используются в тех случаях, когда требуется высокая электропроводимость, например, для изготовления шинопроводов или электрических проводников. Также они хорошо подходят для некоторых задач с потребностью в высокой коррозионной устойчивости. Все эти сплавы легко поддаются сварке.

Сплавы серии 3XXX имеют определенное содержание марганца (Mn), который позволяет сделать их более прочными и увеличить эффективность холодной обработки. Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной устойчивостью и при этом легко поддаются сварке. Они используются для изготовления систем кондиционирования воздуха и рефрижераторов, ненесущих элементов конструкций и других задач.

Серия 4XXX содержит кремний (Si), который служит для снижения температуры плавления и улучшения жидкотекучести в расплавленном состоянии. Эти сплавы используются в качестве присадочных материалов для сварки и пайки, а также для литья в песчаные и металлические формы. Это самые устойчивые к образованию трещин алюминиевые сплавы.

Серия 5XXX содержат магний (Mg), который позволяет повысить их прочность и способность к механическому упрочнению. Как правило, они обладают очень высокой коррозионной устойчивостью и самой высокой прочностью из всех сплавов, непригодных к тепловой обработке. Чем больше содержание магния, тем выше механические характеристики. Такие сплавы широко доступны в виде листового металла, пластин и полос, и являются самыми распространенными алюминиевыми конструкционными сплавами. Как правило, они не поставляются в виде тянутого профиля ввиду дороговизны этого процесса. В большинстве случаев они легко поддаются сварке, с присадочным материалом или без. Однако сплавы Al-Mg склонны к образованию трещин при доле содержания магния 2,5%, поэтому при сварке таких сплавов, как 5052, нужно проявлять определенную осторожность. В частности, эти сплавы не подходят для автогенной сварки (т. е. без использования присадочных материалов). Для снижения риска образования трещин следует использовать сплавы с высоким содержанием Mg, например, 5356.

Сплавы, пригодные к тепловой обработке, относятся к сериям 2XXX, 6XXX и 7XXX. Серия 2XXX — это высокопрочные сплавы Al-Cu, которые в основном используются в аэрокосмической отрасли. В некоторых средах они могут проявлять низкую коррозионную устойчивость. В целом, большинство сплавов этой серии относят к не поддающимся сварке. 2024 является хорошим примером того, как непригодный для сварки сплав часто становится выбором проектировщиков благодаря своей высокой прочности. Он часто используется для изготовления авиационных рам, но там он почти всегда скрепляется заклепками. Этот сплав очень склоннен к образованию трещин и не поддается сварке обычными методами.

Единственными двумя распространенными конструкционными сплавами серии 2XXX можно назвать: 2219 и 2519. Сплав 2219 легко поддается сварке и, например, применялся для изготовления внешних топливных баков космических шаттлов. Этот сплав пригоден для сварки благодаря повышенному содержанию меди — около 6%. Родственным сплавом является 2519, который тоже хорошо поддается сварке. Он предназначен для производства бронированных автомобилей. Хотя из этого правила есть определенные исключения, конструктор должен считать все остальные сплавы серии 2XXX не поддающимися сварке.

Серия 6XXX используется для изготовления металлоконструкций чаще всего. Они обладают сравнительно высокой прочностью (хотя не такой высокой, как 2XXX и 7XXX) и высокой коррозионной устойчивостью. Чаще всего они поставляются в виде тянутого профиля. Более того, если конструктор закажет тянутый профиль, можно быть практически уверенным, что ему поставят сплав серии 6XXX. Сплавы 6XXX также могут поставляться в виде листового металла, пластин и прутков. Они являются самыми распространенными конструкционными металлами, которые пригодны для тепловой обработки. Хотя все сплавы этой серии склонны к образованию трещин, они считаются пригодными к сварке и часто используются. Однако в этом случае во избежание растрескивания требуется достаточный объем подходящего присадочного материала.

Чаще всего конструкторы сталкиваются с проблемами в случае сплавов 7XXX. Это сплавы Al-Zn или Al-Zn-Mg-Cu с очень высокой прочностью, которые часто используются в аэрокосмической отрасли, и поставляются в форме листов, пластин, штампованных заготовок и прутков, а также тянутого профиля. Если не считать несколько нижеуказанных исключений, конструктор должен считать сплавы 7XXX не поддающимися сварке. Самым распространенным из них является сплав 7075, который ни в коем случае нельзя сваривать для использования в качестве конструкционного материала. Кроме того, во многих средах эти сплавы подвержены коррозии.

Некоторые из сплавов 7XXX не следуют общему правилу и поддаются сварке. Это сплавы 7003 и 7005, которые часто имеют форму тянутого профиля, и 7039, который чаще всего поставляется в виде пластин и листового металла. Сегодня эти материалы чаще всего используются для изготовления рам велосипедов и бейсбольных бит методом сварки. Эти сплавы хорошо поддаются сварке и часто имеют более высокие сварочные характеристики в состоянии после сварки по сравнению со сплавами 6XXX и 5XXX.

Кроме того, есть еще одно исключение. Существует несколько сплавов, которые используются для изготовления формовочных плит для отрасли инжекционного прессования. Эти сплавы, например, Alca Plus, Alca Max и QC-7, очень схожи по составу с 7075 и 2618. Конструктор ни в коем случае не должен использовать эти сплавы для сварки в целях строительства. Но при этом допускается сварка таких сплавов для исправления дефектов механической обработки и восстановления форм. Это допустимо, потому что при такой сварке металл подвергается достаточно небольшому напряжению и сварка производится при сжатии.

Итак, мы постарались обратить внимание на следующее:

    Во-первых, при проектировании каких-либо конструкций недостаточно просто просмотреть список алюминиевых сплавов и выбрать самый прочный.
    Помните, что многие высокопрочные алюминиевые сплавы не поддаются сварке. Убедитесь, что выбранный Вами сплав пригоден для сварочных работ.
    Помните, что одни сплавы и серии сплавов подходят для определенных задач больше, чем другие

Еще одна особенность сварки алюминия: не ожидайте, что механические характеристики основного и наплавленного металла будут эквивалентными.


Почему наплавленный металл не такой прочный, как основной?
Обычно проектировщики стальных конструкций исходят из того, что металл наплавления будет обладать такими же механическими характеристиками, как и основной. Поэтому можно ошибочно заключить, что то же самое относится и к алюминию. В большинстве случаев сварки алюминия наплавленный металл шва обладает более низкими механическими характеристиками, чем основной металл.


Сплавы, не поддающиеся тепловой обработке 
Сплавы этой категории (то есть серии 1XXX, 3XXX, 4XXX и 5XXX) изготавливаются методами холодной обработки: намотки рулонов, волочения и т. д. После холодной обработки сплаву присваивается обозначение состояния термообработки F (после отливки). Затем сплавы часто проходят тепловую обработку отжигом, после чего им присваивается класс термообработки O (отожженное). Многие сплавы продаются именно в этом состоянии. Поэтому правильное обозначение пластин сплава 5083 после прохождения намотки и отжига — 5083-O. Одно из главных преимуществ этих сплавов — это возможность значительно повысить механические свойства при холодной обработке после отжига. На Рисунке 2 показано, как изменяются характеристики нескольких сплавов после холодной обработки различной интенсивности. Например, в случае сплава 5086 предел текучести возрастает примерно со 125 МПа до 275 МПа и после этого считается подвергнутым деформационному упрочнению. Полное обозначение такого сплава — 5056-H36. Обозначение термообработки H несколько неоднозначно, потому что относится к нескольким вариантам обработки. Однако последняя цифра всегда означает интенсивность обработки сплава, где 9 — самое высокое возможное значение.


 

Алюминий: частые ошибки проектирования
Рисунок 2


 

Одна из самых частых ошибок при проектировании сварных металлоконструкций с использованием сплавов, которые не поддаются тепловой обработке — это случаи, когда конструктор просматривает таблицу механических характеристик сплавов, не обращает внимания на класс термообработки «О» и выбирает сплав после самого сильного отжига, потому что он имеет самые высокие механические характеристики. С первого взгляда это может показаться разумным, но на деле тепло от сварки часто оказывает локальное отжигающее воздействие, что значительно ослабляет металл в зоне теплового воздействия. На Рисунке 3 показан примерный график зависимости предела прочности и текучести от расстояния от шва. Если делать расчеты на основе свойств металла после деформационного упрочнения, то допустимое напряжение должно быть выше фактического предела текучести в зоне теплового воздействия. Хотя это может показаться противоречащим здравому смыслу, независимо от степени изначальной тепловой обработки характеристики в зоне теплового воздействия после сварки станут равны характеристикам материала в отожженном состоянии (класса О).: Поэтому проект должен быть основан на характеристиках металла в отожженном состоянии, а не закаленном. По этой же причине нет смысла покупать дорогостоящие закаленные сплавы для последующей сварки. Выберите для проекта отожженный сплав и при необходимости увеличивайте толщину материала.


 

Алюминий: Частые ошибки проектирования
Рисунок 3


Учитывая вышесказанное, было бы логично поинтересоваться, можно ли что-нибудь сделать, чтобы восстановить свойства материала после сварки закаленного материала. К сожалению, ответ на это почти всегда отрицательный. Единственный способ увеличить механические свойства таких материалов — это механическая обработка, а в случае сварных металлоконструкций это почти всегда непрактично.


Сплавы, пригодные для тепловой обработки 
При сварке сплавов, пригодных для тепловой обработки, ситуация несколько отличается. Тепловая обработка заключается в нагревании материала до примерно 540°C, выдерживании температуры в течение определенного времени и последующем закаливании в воде. Эта операция проводится для того, чтобы растворить все легирующие элементы и удержать их в таком состоянии при комнатной температуре. Такая тепловая обработка называется T4 и она обеспечивает намного более высокую прочность по сравнению с отожженным металлом. В случае некоторых сплавов прочность может увеличиться еще больше в ходе «естественного старения» при комнатной температуре. На это может уйти от нескольких дней до нескольких недель. После этого металл будет сохранять свои свойства в течение десятилетий. Поэтому материалы T4 очень стабильны и их характеристики остаются неизменными на протяжении всего срока эксплуатации.

Однако большинство сплавов все же подвергают дополнительной тепловой обработке, чтобы обеспечить еще большие механические характеристики. Такая обработка заключается в выдерживании материала при температуре около 205°C в течение нескольких часов. В это время легирующие элементы, которые были расплавлены в ходе предыдущей тепловой обработки, контролируемым образом образуют отложения, что увеличивает прочность сплава. Такое состояние металла обозначается T6 (или состояние искусственного старения). Это самый распространенный вид материалов после тепловой обработки.

Напомним, что система обозначения состояний металлов намного сложнее этих примеров, но хорошее понимание состояний T4 и T6 поможет избежать большинства самых распространенных ошибок при сварке алюминия. Важно отметить, что поддающиеся тепловой обработке сплавы также могут быть подвергнуты механическому упрочнению, что еще больше осложняет классификацию состояния металла.

Помните, что искусственное старение проводится при около 205°C. Температура в зоне теплового воздействия всех процессов сварки намного выше. Поэтому сварка представляет собой дополнительную тепловую обработку в зоне теплового воздействия. Некоторые сплавы подвергают закалке твердого раствора без полиморфного превращения, а некоторые  в зоне теплового воздействия оказываются передержанными. Это приводит к снижению механических характеристик материала, особенно если сравнивать состояние после сварки с состоянием T6. Например, минимальный заявленный предел прочности на разрыв согласно ASTM B209 для 6061–T6 составляет 275 МПа. Большинство строительных кодексов требуют, чтобы предел прочности на разрыв в состоянии после сварки составлял  минимум 165 МПа, что отражает значительное снижение характеристик.

При составлении проектов с использованием сплавов, не поддающихся тепловой обработке, конструктор не должен основывать расчеты на характеристиках основного металла. Для этого нужно использовать реальные показатели в состоянии после сварки. Трудно дать универсальный ответ на то, какими именно они должны быть. Это в большой степени зависит от сплава и исходного состояния сплава. При этом лучше ориентироваться на требования к механическим характеристикам алюминиевых сплавов в состоянии после сварки, которые указаны в большинстве стандартов проектирования.

Однако в случае сплавов, которые поддаются тепловой обработке, существует несколько способов восстановить механические характеристики основного металла. На Рисунке 4 показан график нагрузки на растяжение по сравнению с расстоянием от соединения для сплава 6061, на котором видны изменения в металлах T4 и T6 после сварки (AW) и после искусственного старения (PWA). Состояние PWA подразумевает проводимую после сварки процедуру искусственного старения при температуре 205°C в течение 1 часа. Эта процедура позволяет значительно увеличить механические характеристики металлов в исходном состоянии T4 и T6. Более того, иногда даже более предпочтительно вести сварку в состоянии T4 и после этого провести искусственное старение.


Алюминий: Частые ошибки сварки алюминия
Рисунок 4


Наконец, обсудим еще одну альтернативу. Если после сварки проводится тепловая обработка всей конструкции (например, растворяющая термообработка при 540°C, закалка, старение при 205°C), все свойства материала (даже в сварном соединении) восстановятся и станут эквивалентны состоянию T6. Данная практика обычно относится к небольшим изделиям, например, рамам велосипедов, потому что для более крупных конструкций она непрактична. При этом закалка обычно приводит к достаточно сильному искажению конструкции, из-за чего перед старением требуется выпрямление.


Заключение

При проектировании конструкций из алюминия слишком часто не учитываются различия между алюминием и сталью. Подводя итоги, частые ошибки включают:

    Не все алюминиевые сплавы поддаются сварке. Как правило, алюминиевые сплавы с самыми высокими механическими характеристиками хуже всего поддаются сварке
    Механические характеристики наплавленного металла обычно ниже характеристик основного металла
    Материал в зоне теплового воздействия будет обладать характеристиками отоженного металла независимо от исходного состояния.
    В случае сплавов, которые поддаются тепловой обработке, механические характеристики в состоянии после сварки будут значительно ниже характеристик металла в состоянии T6.
    Тепловая обработка после сварки позволяет восстановить механические характеристики наплавленного металла