Высокая активность алюминия с кислородом способствует созданию на его поверхности тугоплавкой пленки  оксида алюминия (А1203), которая препятствует сплавлению основного и электродного металлов. Это происходит из-за большой разницы температур, требуемых для плавления. Так как для плавления основного металла требуется всего 658°С, а оксид алюминия плавится при температуре 2050°С, то в массиве сварочного шва появляются непровары и шлаковые включения. Это отрицательно сказывается на механической прочности сварного соединения и чтобы преодолеть эту технологическую трудность, нужно применять ряд специальных способов. Свариваемости алюминия мешают органические водосодержащие загрязнения (пыль, жировая пленка и т.д.), имеющиеся на кромках свариваемых деталей, а легирование некоторых сплавов повышенной прочности цинком и магнием становится причиной появления холодных трещин. Адсорбированная влага, газонасыщенность основного    и    присадочного    материалов способствуют появлению большого количества пор. Учитывая все вышеизложенные явления, препятствующие нормальному свариванию алюминия, кромки и поверхности перед сваркой нужно тщательно готовить.

Подготовительный этап   включает в себя обязательную очистку свариваемых деталей проволоки от следов краски, жировых включений, а имеющуюся пленку оксида удаляют механическим или химическим путем. Для обезжиривания используют авиационный бензин, уайт-спирит, ацетон технический и растворители, изготовленные на их основе.

После обезжиривания свариваемые поверхности подвергают химической обработке. Процесс химической обработки включает в себя:

• травление свариваемых деталей в растворе едкого натра (NaOH) и натра фтористого (NaF) в соотношении 1:1 продолжительностью 1 — 2 минуты;
• промывку в горячей проточной воде при температуре не ниже 50°С, а после этого — в холодной воде;
• осветление в течение 1-2 минуты при комнатной температуре в растворе азотной кислоты (HN03) с концентрацией не ниже 350 — 425 г/л;
• промывку в горячей проточной воде с последующей естественной сушкой.

Для удаления оксидной пленки часто применяют сварочный флюс АФ-4А. Обезжиривание, травление и осветление выполняют не позже, чем за 2 — 4 часа до начала сварочных работ. Для этого сварочную проволоку разделяют на мотки, массой не более 5 кг, таким образом, чтобы в процессе обработки витки не соприкасались друг с другом. Обработку проводят при вертикальном положении мотка. Поверхность обработанных деталей и проволоки должна быть серебристо-матового цвета без загрязнений и желтого налета. В случаях, когда сварочная проволока не используется сразу же после химической обработки, ее упаковывают в полиэтиленовую пленку и хранят в герметической таре. Срок такого хранения ни в коем случае не должен превышать 36 часов, а если это условие не соблюдается, то проводят повторную обработку. При этом количество повторных обработок сварочной проволоки должно быть более двух. Нельзя брать проволоку и касаться свариваемых поверхностей голыми руками. Лучше всего для этого использовать чистые хлопчатобумажные рукавицы.

Непосредственно перед сварочными работами кромки деталей и прилегающие к ним участки зачищают шабером до металлического блеска. Отрезок времени между химической обработкой и механической зачисткой не должен быть более 4 часов. Нельзя для этого использовать обработку абразивными кругами или шлифовальной бумагой, в также нельзя применять пескоструйные и дробеструйные аппараты, так как это может привести к появлению шлаковых включений в массиве шва и к другим дефектам, что будет отражаться на качестве сварного соединения.

Предсварочную сборку деталей выполняют при помощи механических приспособлений, обеспечивающих жесткое крепление. Для этого используют специальные кондукторы, прижимные устройства, тиски, различного вида струбцины и т.д. Свариваемые детали сжимают между собой так, чтобы зазор между ними был минимальный. Усилие сжатия для деталей толщиной до 4 мм должно быть не менее 1,2 кН (10 кгс), а при большей их толщине — не менее 0,3 кН. Жесткое закрепление деталей снижает вероятность коробления и деформаций. Если сварку осуществляют без прижимных приспособлений, то ее выполняют на предварительных прихватках. Для прихватки используют ту же сварочную проволоку, что и для основной сварки. Количество прихваток и расстояние между ними должно обеспечить жесткую фиксацию свариваемых деталей относительно друг друга.

Сварку   стыковых   соединений   обычно выполняют   на   подкладках   с   канавкой, обеспечивающих сохранение сварочной ванны и формирование обратной стороны шва. Для подкладок применяют пластины из нержавеющей стали или меди, предварительно выполнив в них канавки, ширина которых должна быть не менее двух-трех кратной толщины свариваемых деталей. При сварке на больших токах применяют специальные прокладки с водяным охлаждением. При толщине свариваемых деталей до 3 мм прихватку выполняют на всю их глубину, а при большей их толщине глубина прихватки будет зависеть от формы разделки и требований, которым должно отвечать сварное соединение.

Ручную сварку покрытыми электродами применяют при изготовлении малонагруженных конструкций из технического алюминия Амц, АМг и силумина. Использование постоянного тока обратной полярности и предварительный подогрев для средних толщин (250 — 300°С) обеспечивает требуемое проплавление при умеренных сварочных тока. Для деталей большой толщины температуру предварительного подогрева увеличивают до 400°С. Сварочную проволоку подбирают, учитывая требования изложенные в таблице.

Марки проволок, применяемых для сварки алюминия и его сплавов

Ручная дуговая сварка изделий из чистого алюминия может производиться электродами ОЗА-1, а сварка изделий из силуминов - электродами ОЗА-2 или ОЗАНА, которые по техническим характеристикам превосходят электроды серии ОЗА. Использование электродов серии ОЗАНА обеспечивает мелкокапельный перенос электродного металла, хорошее формирование шва в любых пространственных положениях, хорошую отделяемость шлаковой корки. Скорость плавления алюминиевого электрода в 2 — 3 раза выше скорости плавления стального электрода. Это обстоятельство становится решающим при выборе режимов сварки. Сварку выполняют непрерывно в пределах одного электрода, так как шлаковая пленка, создающаяся на кратере и конце электрода, препятствует повторному зажиганию дуги. Сварочный ток рекомендуют устанавливать в пределах 60 А на 1 мм диаметра электрода. 

Дуговая сварка в среде защитных газов позволяет значительно повысить качество сварных соединений, так как исключает возможность появления оксидной пленки при высокой температуре сварочной ванны. Для этого применяют как плавящиеся, так и неплавящиеся электроды.

Сварка неплавящимся электродом в среде аргона обеспечивает наилучшее формирование шва, снижает вероятность деформаций. Питание сварочной дуги осуществляют от источника переменного тока с падающей внешней характеристикой. Этот вид сварки обеспечивает устойчивое горение дуги, что в свою очередь положительно сказывается на структуре сварочного шва (пористость, остаточные напряжения и деформации и т.д.). Основные режимы, выбираемые при ручной дуговой сварке, отражены в таблице 1.

Таблица 1. Основные режимы при ручной дуговой сварке

Сварку лучше всего выполнять на максимальной скорости в ручном или автоматическом режимах, снижая до минимума размеры сварочной ванны. Такой режим сварки позволит снизить вероятность окисления металла, что положительно сказывается на качестве шва. Сварку лучше выполнять без перерыва, а в случаях вынужденных перерывов ранее наложенный шов перекрывают на 10 — 20 мм. В процессе сварки вольфрамовый электрод по отношению к изделию составляет 60 — 80°, а по отношению к присадочной проволоке — 80 — 90°. При этом присадочный материал должен постоянно находиться в зоне газовой защиты, а после окончания сварки доступ защитного газа прекращают только после остывания вольфрамового электрода. Предотвращению образования трещин способствует интенсивная подача сварочной проволоки в зону сварочной ванны.

Образованная при этом в конце сварки пирамидальная наплавка снимается механическим способом. В случаях, когда сварка ведется на прихватках, рекомендуют предварительный подогрев.

Плавящиеся электроды лучше использовать в среде гелия. Качество и надежность сварного соединения во многом зависят от степени защиты, правильного подбора сварочной проволоки и правильного подбора режимов. Питание дуги осуществляют от источника постоянного тока с жесткой внешней и вольт-амперной характеристикой. Для снижения вероятности возникновения окисной пленки и для надежного ее разрушения в случае появления сварку лучше выполнять при обратной полярности. Режимы сварки подбирают по таблице 2.

Таблица 2. Режимы сварки алюминия и его сплавов плавящимся электродом

При сварке плавящимся электродом усиливается вероятность проявления пористости шва, которая во многом зависит от правильного режима сварки, подготовки свариваемых поверхностей и степени защиты ванны от воздуха, влаги и загрязнений. Хороших результатов позволяют добиться технологии сварочных работ в автоматическом режиме и плазменная сварка, на особенностях которых мы остановимся позже. 

Медь в чистом виде практически не применяется, в наличие примесей осложняет сварочный процесс. Введение примесей и легирующих элементов в меди разделяет ее на сплавы, к которым относят: латунь, бронзу и медно-никелевые сплавы.

Латунь — сплав меди с цинком. Медно-никелевыми сплавами называют сплавы меди с никелем или с железом и марганцем. Бронзой считают сплавы, в которых основными легирующими элементами являются никель или цинк.

Наличие примесей определяют физико-химические свойства сплава, к которым относят:

• высокую теплопроводность сплава, которая приводит к большим скоростям охлаждения сварочной ванны, что в свою очередь влечет за собой рост зерен и ухудшение качества шва. Бороться с этим явлением помогает сварка с использованием повышенной погонной энергии;
• высокий коэффициент термического расширения, что вызывает большие остаточные напряжения и деформации;
• высокую литейную усадку остывающего металла, что влечет за собой деформации сварочного шва и околошовной зоны, а в случаях жесткого закрепления деталей — высокие остаточные напряжения и деформации;
• интенсивное испарение цинка из расплавленного металла, что способствует появлению пористости шва;
• высокая чувствительность расплавленной меди к водороду, способствующая появлению пузырьков воды, что является причиной многочисленных пор и трещин. Это явление называют водородной болезнью меди;
• легкая окисляемость меди при высоких температурах, что приводит к образованию тугоплавких оксидов;
• высокую текучесть расплавленной меди, что приводит к дополнительным трудностям при сварке (особенно в вертикальных и потолочных швах).

Подготовительный этап включает в себя тщательную разделку и очистку поверхностей непосредственно перед сваркой. Для этого свариваемые кромки и околошовную зону зачищают шабером или металлической щеткой до блеска, после чего выполняют обезжиривание бензином, уайт-спиритом или другим растворителем. Зазор между свариваемыми поверхностями не должен превышать 2 мм, поэтому детали сжимают между собой или выполняют прихватки.

Сварочную проволоку перед употреблением подвергают очистке травлением. Для этого применяют водный раствор азотной кислоты (75 см³/л) или смесь серной и соляной кислоты в соотношении 100:1 с последующей промывкой в воде, затем в щелочи, после чего снова в чистой проточной воде. После промывки проволоку сушат горячим воздухом. Медные электроды перед сваркой прокаливают, что снижает вероятность проявления водородной болезни.

Сварку меди и ее сплавов выполняют в среде защитных газов, в качестве которых служат азот, аргон или гелий, а также их смеси. Наибольшая эффективность сварки достигается при использовании азота, обеспечивающего высокий КПД дугового разряда. Ручная сварка угольным электродом применяется для малоответственных деталей и изделий. Угольные электроды целесообразно использовать при толщине меди до 15 мм. При толщине меди больше этого значения пользуются графитовыми или вольфрамовыми электродами. Сварку выполняют на постоянном токе прямой полярности плотностью 200 — 400 А/см². Электроды затачивают на конус (на ⅓ длины).

Перед началом сварки, а также в процессе ее металл толщиной до 5 мм подвергают предварительному подогреву: медь —250 — 300°С, латунь — 300 — 350°С и бронзу — 500 — 600°С.

Схема взаимного расположения горелки, присадочной проволоки и сварочной ванны приведена на рисунке. Для того, чтобы избежать попадания расплавленного металла на неплавящийся электрод, присадочную проволоку вводят не в столб дуги, а подают к краю и несколько сбоку , что одновременно обеспечивает равномерное расплавление. Длину сварочной дуги поддерживают в пределах 1,5 —3 мм, а вылет конца электрода — 3 — 5 мм. Электрод располагают под углом 75 — 90° к свариваемому изделию, присадочную проволоку — под углом 10 — 15°. Если защитный газ недостаточно защищает металл от окисления, присадочный материал применяют с раскислителем. Режимы ручной дуговой сварки в среде аргона приведены в таблице.

Режимы ручной дуговой сварки меди

Первые слои сварочного шва накладывают без колебаний электрода, следя за тем, чтобы все прихватки были полностью проварены. Сварку ведут без перерыва, особое внимание уделяя проварке корня шва. В случае вынужденных перерывов необходимо следить за тем, чтобы сечение было заполнено металлом не менее чем на половину стенки. Возобновляют сварку только после зачистки и предварительного подогрева, перекрывая ранее наложенный шов на 10—20 мм.

После сварки шов проковывают, а затем отжигают при температуре 600 — 660°С для выравнивания химического состава и получения мелкозернистой структуры шва. 

Титан обладает низкой прочностью и поэтому в чистом виде применяется крайне редко. А для конструктивных целей используют титан с примесями легирующих элементов, значительно увеличивающих его физико-механические свойства. Химическая активность титана под воздействием больших температур может привести к снижению его пластичности и конструкционной прочности, поэтому сварку выполняют с защитой от атмосферного воздействия. Защите подлежит не только сварочная ванна, но и все участки металла, которые подвергаются нагреву до температуры свыше 623°С.

Обладая низкими теплопроводными свойствами, титан достаточно длительное время поддерживает сварочную ванну в расплавленном состоянии при высокой температуре, что способствует росту зерна не только в сварном соединении, но и в околошовной зоне. Особенно отрицательно сказывается на качестве сварочного шва водород, который попадает в сварочную ванну вместе с адсорбированной влагой на свариваемых кромках и в присадочном материале. Взаимодействуя с кислородом, горячий титан окисляется, что способствует появлению в сварочном шве пор холодных трещин. Поэтому свойства сварных соединений напрямую зависят от качества защиты, подготовки свариваемых кромок и титановой проволоки, служащей присадочным материалом.

Подготовительный этап заключается в механической обработке свариваемых кромок или травлением раствором кислот. Свариваемые кромки зачищают механическими приспособлениями на ширину не менее 20 —25 мм от границ разделки, после чего место сварки тщательно обезжиривают и протравливают. Для зачистки кромок применяют вращающиеся металлические щетки, шаберы, шлифовальную шкурку и другие приспособления, позволяющие добиться необходимой чистоты поверхности. Для изготовления механических щеток применяют проволоку из нержавеющей стали диаметром 02 —03 мм. Зачистку поверхностей осуществляют непосредственно перед сваркой или заблаговременно при условии надежной их защиты от внешних воздействий. Очищенная поверхность должна иметь серебристый оттенок, без трещин, вмятин, заусенец и надрывов.

Непосредственно перед сваркой кромки обезжиривают и протравливают следующим раствором: соляная кислота — 240 — 390 мл, азотная кислота — 35 — 60 мл, фтористый натрий — 50 г. В качестве обезжиривающего состава может служить ацетон, бензин марки Бр-1и другие растворители на основе ацетона. Поверхность сначала обрабатывают бензином, а после этого — ацетоном. В исключительных случаях допускается обезжиривание одним ацетоном.

Сварочную титановую проволоку подбирают согласно маркировке, которая наносится на упаковке или на специальных бирках. Различают следующие составы проволоки, используемой при сварке титана и его сплавов: ВТ1-00, ВТ1-00С (для сплавов ВТ1-00 и ВТ1-0), ОТ4-1 (для сплавов ОТ4), СПТ2 и ВТ2св (для сплавов ВТ5, ВТ6 и ВТ 15). Непосредственно перед сваркой проволоку обезжиривают, а при необходимости подвергают механической очистке, которую выполняют наждачной шкуркой зернистостью не выше № 12.

Допускается предварительное обезжиривание проволоки, которую сразу же следует защитить полиэтиленовой пленкой и хранить в специальных пеналах. В любом случае срок хранения обезжиренной проволоки не должен превышать 5 суток. Качество поверхности проволоки проверяют непосредственно перед сваркой при помощи чистой белой салфетки. Если на салфетке остаются следы загрязнений, то обезжиривание следует повторить.

Кромки деталей перед сваркой плотно сжимают между собой, следя за тем, чтобы на поверхность не попали жировые включения. Поэтому к подготовленным поверхностям нельзя касаться руками или грязной ветошью.

Сварку титана и его сплавов выполняют в ручном или автоматическом режимах с защитой сварочной ванны и околошовной зоны аргоном или инертным газом. Сварку ведут вольфрамовым электродом при постоянном источнике тока прямой полярности. Существует несколько схем защиты сварочного шва. Для сварки ответственных изделий существуют специальные камеры с контролируемой атмосферой.

Сварку ведут без колебательных движений горелки, на короткой дуге углом вперед. Угол между электродом и присадочным материалом поддерживают в пределах 90°, а подачу проволоки ведут непрерывно. Чаще всего сварку выполняют «левым»  способом,  при    котором  ось вольфрамового электрода наклонена в сторону, противоположную направлению сварки.

Вылет электрода из сопла не должен превышать 5 —7 мм. В труднодоступных местах вылет электрода может быть увеличен при условии надежной защиты сварочного шва. Присадочный материал вводят в сварочную ванну навстречу сварочной горелке, не допуская вывода ее конца из зоны газовой защиты. Снятие защиты производят не ранее, чем при снижении температуры ниже 400°С. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки титана и его сплавов приведены в таблице.

Защита сварочного шва считается качественной, если в зоне стыка отсутствуют следы окисления и металл имеет серебристый цвет. При некачественной защите на сварочном шве появляются следы побежалости. Титан, толщиной до 8 мм, можно сваривать без скоса кромок, более толстый металл сваривают погружной дугой.

Для снижения погонной энергии и сужения зоны термического влияния дополнительно к газовой защите используют флюсы АТН-21А , Атн-23А. Применение флюсов существенно повышает защиту и позволяет повысить качество сварного соединения за счет уменьшения пористости шва. Флюс наносят на свариваемые кромки непосредственно перед сваркой при помощи волосяной кисти толщиной 0,1 —0,15 мм. Для того чтобы из пасты хорошо испарялся спирт, сварку выполняют при температура не ниже 15°С.

Сварка плавящимся электродом выполняется в автоматическом режиме током обратной полярности при мелкокапельном переносе металла.

Режимы аргонодуговой сварки титана и его сплавов 

Цинк и сплавы на его основе обладают высокой антикоррозийной стойкостью, что делает их популярными в конструкционных изделиях. Сварочные работы на сплавах цинка связаны с определенными технологическими трудностями. Цинк обладает низкой температурой плавления и кипения, легко окисляется, соединяясь с кислородом. Для защиты от окисления и повышения качества сварных соединений используют газовую защиту как для сварочной ванны, так и для обратной стороны свариваемых деталей.

Сварку цинка проводят на переменном и постоянном токе прямой полярности. Пары цинка, выделяемые при кипении, вредны для здоровья, что влечет за собой необходимость принятия дополнительных мер защиты органов дыхания сварщика и его помощников. Подбор режимов сварки сплавов цинка неплавящимся электродом выполняют по таблице.

Режимы сварки сплавов цинка неплавящимся электродом на постоянном токе 

Никель и его сплавы способны противостоять кислотным средам и повышенным температурам, обладая при этом высокой прочностью, пластичностью и способностью сохранять свои свойства при низких температурах. Большая чувствительность никеля к примесям, а особенно к растворенным газам, затрудняет сварочный процесс, вызывая пористость металла шва. Низкие литейные свойства никеля требуют больших энергетических затрат для плавления. Особенно негативно сказываются на качестве сварных соединений  включения  серы  и  фосфора вызывающие кристаллизационные трещины. Все это накладывает отпечаток на подготовку сварных стыков и их защиту в процессе сварки.

Свариваемые кромки тщательно зачищают до металлического блеска и обезжиривают растворителями на основе ацетона или уайт-спирита. В некоторых случаях допускается обезжиривание бензином.

Для легирования металла шва применяют специальные присадочные проволоки, обеспечивающие получение шва без пор и трещин. Сварку ведут в среде инертного газа или аргона. Обратную сторону шва защищают, вводя инертный газ в отверстия медных прокладок с канавкой. Обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений осуществляют подбором максимально возможных скоростей сварки и минимальных токов. Сварку ведут слоями, накладывая каждый последующий слой только после остывания предыдущего до температуры 100°С.

Специальные марки легированных проволок, применяемые для сварки никеля, позволяют получить шов без пор и трещин. К таким маркам относят, прежде всего, НМц2.5, НМц5, НМцАТЗ-1,5-0,6, НМцАТЗ-1,5-0,15 и некоторые другие. После сварки целесообразно выполнить термическую обработку с медленным охлаждением, что позволит снять остаточные напряжения и избежать деформаций изделия.