Общая концепция сварки алюминии

Общая концепция сварки алюминии

Алюминий имеет такое большое химическое сродство к кислороду, что механическая очистка поверхности основного материала перед сваркой действует в течение непродолжительного времени, после чего на поверхности очень скоро вновь образуется оксидная плёнка. Разрушение оксидной плёнки представляется довольно сложной задачей, требующей больших вложений энергии. Поскольку разрушить плёнку нагревом электрическим током сложно из-за её плохой электропроводности, можно прибегнуть к разрушению плёнки методом катодного распыления. Это обуславливает необходимость применения сварки на переменном токе.

Сварка методом TIG – наиболее распространенный способ сварки, применяющийся для изготовления сварных конструкций из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Основным преимуществом процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитного газа является отсутствие шлаковых включений, возможность работы на малых токах дуги (от 5 А), возможность сварки тонких листов, высокая устойчивость горения дуги во всем диапазоне токов, технологичность процесса.
При сварке TIG дуга горит между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемым изделием. При этом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой промежуток, что облегчает условия горения дуги и обусловливает её высокую стабильность, исключает разбрызгивание расплавленного металла, сокращает потери на испарение и улучшает качество сварного шва за счёт ограничения взаимодействия расплавленного металла с газами столба дуги.
Сварка TIG на переменном токе открывается возможность разрушить и устранить оксидный слой при помощи носителей заряда в электрической дуге. Для этого подходят только ионы, поскольку электроны из-за своей малой массы не обладают достаточной для такого процесса кинетической энергией.

Когда отрицательный полюс находится на электроде, электроны перемещаются от электрода к изделию, а остаточные ионы – от изделия к электроду. При такой полярности очищающий эффект невозможен. При обратной полярности более тяжёлые ионы возвращаются на поверхность изделия. При этом за счёт своей высокой кинетической энергии они могут разрушить и устранить оксидный слой на поверхности изделия.

Если бы сварка выполнялась на горячем положительном полюсе, то у электрода была бы очень низкая токонесущая способность. Поэтому данный вариант сварки TIG применим только для сварки очень тонких алюминиевых конструкций (с толщиной стенки до 2,5 мм). Переменный ток предлагает компромиссное решение. Когда на электроде находится позитивная полуволна, возникает очищающий эффект. Следующая за ней отрицательная полуволна снова охлаждает электрод. Поэтому можно говорить об очищающей и охлаждающей полуволнах. Токонесущая способность при сварке переменным током меньше, чем при сварке постоянным током на отрицательном полюсе, но она значительно выше, чем при сварке на положительном полюсе.

В настоящее время также применяют вариант сварки TIG на отрицательном полюсе, при котором используется защитный газ с высоким содержанием гелия (например, 90% He / 10% Ar). При сварке на отрицательном полюсе, как уже было описано, оксидная плёнка на поверхности не разрушается. Однако она расплавляется при высокой температуре мощной гелиевой дуги. Поэтому она лишь немного повреждается. Сварка TIG постоянным током на отрицательном полюсе в среде гелия благодаря лучшему проварy применяется, в первую очередь, при ремонтных сварках литых деталей из алюминиево-кремниевых сплавов.
Источники питания для сварки алюминии
Питание дуги осуществляется переменным током от источников с падающими внешними характеристиками. Существует справедливое мнение, что сварку TIG необходимо производить на штыковых или крутопадающих внешних вольт-амперных характеристиках. Это обусловлено тем, что в указанном случае минимален пусковой бросок тока, что резко улучшает свойства сварного соединения. Переменный ток дуги при сварке алюминия обеспечивает разрушение окисной пленки. Для повышения стабильности горения электрической дуги и эффективного разрушения окисной пленки, кроме падающей внешней характеристики источника и постоянной работы осциллятора используют дополнительную индуктивность (дроссель) в цепи дуги (обеспечивает дополнительную ЭДС самоиндукции и не позволяет погаснуть электрической дуге). Осцилляторы выполняют две функции – бесконтактное зажигание электрической дуги и стабилизацию сварочного тока в момент прохождения через ноль специальными стабилизаторами, синхронизированными со сварочным током и включенными, как правило, параллельно электрической дуге. Последние устройства обычно совмещают с осцилляторами. Электрическая дуга горит между изделием и неплавящимся вольфрамовым электродом. Для повышения стабильности горения электрической дуги рекомендуется тщательно затачивать конец вольфрамового электрода. Симметричность тока обеспечивает равную проплавляющую и очищающую способность электрической дуги. Это самый простой и распространенный способ сварки TIG.
По сравнению со сваркой TIG симметричным током, сварка алюминиевых сплавов асимметричным переменным током расширяет технологические возможности за счет регулирования параметров тока прямой и обратной полярности. Как правило, регулировка асимметричности осуществляется в пределах 30% от амплитудного значения параметра. Преобладание составляющей тока прямой полярности приводит к увеличению глубины проплавления и скорости сварки, а также к повышению стойкости вольфрамового электрода. Преобладание тока обратной полярности улучшает очистку свариваемого металла от окисной пленки и улучшает качество формирования шва. Выбор правильного режима сварки в этом случае является задачей технолога.
В ряде случаев целесообразно использовать сварку TIG импульсной дугой. Подача импульсов осуществляется, как правило, с частотой до 50 или свыше 100 Гц и эти импульсы накладываются на базовое напряжение на дуге. Импульсы имеют остроугольную или прямоугольную форму и служат для улучшения формирования сварного шва (при частоте следования 1-50 Гц) и для улучшения удаления окисной пленки (при частоте следования более 100 Гц). Наиболее часто такие импульсы применяются при сварке тонколистового металла.
Генераторы импульсов тока являются основным блоком источника питания для импульсной сварки. Они включают в себя регуляторы нарастания/спада тока и осуществляют цикл сварки, показанный на Рис. 10. При такой схеме цикла сварки регулируются все составляющие цикла – IИ, IП, tН, tИ, tП, tК. Наиболее важной составляющей является tК; при плавном спаде тока в конце сварки происходит равномерная и качественная заварка кратера шва, что позволяет завершать сварку на самом изделии, не прибегая к трудоёмкой технологии установки выводных пластин. Этот же генератор управляет и открытием электромагнитного газового клапана и позволяет осуществлять предварительный (до зажигания дуги) и последующий (после гашения дуги) обдув защитным газом. При предварительном обдуве защитный газ вытесняет атмосферный воздух из зоны сварки, а последующий обдув газом позволяет завершить кристаллизацию и остывание металла шва в течение 3-5 сек после окончания сварки. Схема открытия газового клапана приведена на Рис. 11. При этом tпр и tпосл также можно регулировать.
Наилучшими сварочными свойствами обладают инверторные источники питания, основным элементом которых является полупроводниковый инвертор – устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное высокочастотное. Инверторные схемы строятся на быстодействующих тиристорах или транзисторах. По сути, в сварочной цепи течёт переменный ток высокой частоты (несколько десятков кГц, а иногда и МГц). Несущая частота сварочного тока обуславливает высокие сварочные свойства инверторных выпрямителей. Инверторы AC/DC, используемые при TIG сварке алюминиевых сплавов, имеют дополнительный блок – вторичный инвертор, осуществляющий дополнительное инвертирование сварочного тока.
Поскольку частота тока напрямую связана с массой магнитопроводов и потребным сечением проводов катушек, масса трансформаторов и дросселей в инверторных выпрямителях очень невелика (примерно в 10 раз меньше, чем масса трансформаторов и дросселей, рассчитанных на ток частотой 50 Гц) и составляет 0,1 ÷ 0,3 кг на 1 А сварочного тока и 4 ÷ 8 кг на 1 кВт потребляемой мощности. Инверторные выпрямители очень экономичны в эксплуатации; так как они не потребляют реактивной мощности, их коэффициент мощности cosφ близок к единице, а КПД не ниже 0,7, а иногда достигает 0,9.

Для достаточного очищающего эффекта совсем не нужно целой положительной полуволны, достаточно 20 – 30%. Именно это используется в современных источниках тока для TIG сварки. Они производят искусственный переменный ток с волнами прямоугольной формы; за счёт быстрого переключения силовых элементов (тиристоров или транзисторов) на электрод попеременно переключается положительный и отрицательный полюс источника постоянного тока. При этом баланс отношения обоих полуволн может изменяться, например, от 20% положительного полупериода/80 % отрицательного полупериода до 80% положительного полупериода /20% отрицательного полупериода (Рис. 14). Проплавляющая способность дуги при этом остаётся на приемлемом уровне.

Меньшая фаза положительного полюса обеспечивает более высокую токонесущую способность электрода, а при одинаковой установке тока – большую стойкость. В таких так называемых «прямоугольных источниках» может часто изменяться и частота искусственного переменного тока, например, от 50 до 300 Гц. Повышение частоты способствует сохранению электрода. Прямоугольный искусственный переменный ток обладает и другими преимуществами. Поскольку ток при смене полярности имеет очень крутую характеристику, то время запаздывания дуги при прохождении через ноль значительно короче, чем при синусоидальной форме тока. Поэтому происходит более надёжное зажигание, даже без использования приспособления для зажигания, а электрическая дуга в целом стабильнее. При этом повторные зажигания дуги сопровождаются сильным гудением.