Виробництво виробів і конструкцій з алюмінієвих сплавів

Організація виробництва конструкцій з алюмінієвих сплавів має свої особливості в порівнянні з організацією виробництва сталевих металевих конструкцій, що пов’язано з властивостями використовуємих металів. Так, металічний алюміній має низьку міцність при розтягу (80…180 МПа), твердість НВ 20, щільність – 2700 кг/м³. Він стійкий до атмосферної корозії. У чистому вигляді у будівництві його використовують для виготовлення фарби, фольги, газоутворювачів. Для підвищення міцності до нього вводять легуючі добавки (Mn, Cu, Mg, Si, Fe). Алюмінієві сплави поділяють на ливарні (силуміни), які застосовують для відливання виробів, і ті, що деформуються (дюралюміни), які йдуть для прокатування профілів, листів. Силуміни уявляють собою сплави алюмінію з кремнієм (до 14%), мають високі ливарні якості, малу усадку, міцність до 200 МПа, твердість НВ 50…НВ 70, високу пластичність (e=5…10%). Дюралюміни – складні сплави алюмінію з міддю (до 5,5%), кремнієм (менш як 0,8%), марганцем (до 0,8%), магнієм (до 0,08%). Границя міцності дюралюміну після загартування і старіння становить 400…480 МПа і може бути підвищеною до 550…600 МПа внаслідок наклепу при обробці тиском.

Використання конструкцій з алюмінієвих сплавів обумовлюється наступними їх властивостями: низькою щільністю (близько 2700 кг/м³); здатністю зберігати свої властивості при низьких і високих температурах; високій корозійній стійкості в різних умовах експлуатації, у тому числі і у агресивних середовищах; високій технологічності, яка визначається можливістю одержання елементів складних конструктивних форм; здатністю легко підлягати як механічній, так і хімічній обробці; відсутності іскроутворення при ударі, що підвищує надійність експлуатації споруд у пожежобезпечених і вибухобезпечних місцях; відсутності феромагнітних властивостей.

Конструкції і вироби з алюмінієвих сплавів поділяють на такі класи – великорозмірні конструкції, які сприймають значні навантаження; листові; каркасні з огородженням або настилом; каркасні без огородження; дрібнорозмірні будівельні або архітектурні вироби з незначними навантаженнями. Листові конструкції в свою чергу поділяють на рельєфно-монококові, які використовують в покриттях будівель, зерносховищ, силосів тощо; гладкі, до яких відносять трубопроводи, резервуари, газгольдери. Головним напівфабрикатом для виготовлення таких конструкцій є листовий прокат. Рельєфно-монококові конструкції – це оболонки криволінійного контуру або тонкі стержні з місцевими рифами. Ці конструкції є найбільш економічними, що пояснюється суміщенням у них функцій огороджуючих і несучих. Листові гладкі конструкції – це оболонки, які отримують деформуванням листів з алюмінієвих сплавів на вальцях або гідравлічних пресах, з’єднанням напівфабрикатів зварюванням, заклепками або болтами. Каркасні конструкції з огородженнями або настилом складаються з каркасу і огородження у вигляді панелей або настилів. До цього класу відносяться покриття будівель і споруд різного призначення, каркаси мостів і шлюзів. Каркас і огородження у таких конструкціях працюють разом або окремо. Каркас складається з стержнів, арок, рам, ферм, виготовлених з профілів великих розмірів. До третього класу конструкцій відносять опори ЛЕМ, радіо- і телевізійні щогли, башти тощо. Елементами таких конструкцій є стержні. По технологічним ознакам 96% таких конструкцій виготовляють з пресованих профілів, труб. Будівельні і архітектурні вироби – це велика група виробів з профільних і листових напівфабрикатів (парапети, екрани, вікна, двері, тощо). Виготовляють такі вироби пресуванням, згинанням, штампуванням. Алюмінієві сплави мають відносно низьке значення модуля пружності. Тому їх не доцільно використовувати у тих конструкціях, де повинна бути забезпечена значна жорсткість. Також не висока, порівняно з сталлю, межа витривалості, що обмежує застосування конструкцій з них в умовах багатоповторюючихся навантажень.

Дюралюміни підрозділяють на такі, які термічно не зміцнюються, і такі, що термічно зміцнюються. До першого виду відносять, сплави систем “алюміній-марганець” і “алюміній-магній”. Показники міцності цих сплавів збільшуються при застосуванні холодного зміцнення. Ці сплави добре зварюються. Підвищенню показників фізико-технічних властивостей дюралюміну сприяє загартування, наклеп тощо. Загартування полягає у нагріванні сплавів до 1000ºС і більше, витримуванні при таких температурах і наступному швидкому охолодженні. Залежно від швидкості охолодження дюралюміній має різну кристалічну структуру. Загартуванню піддають вироби, щоб підвищити їх міцність і твердість. Під впливом пластичних деформацій у холодному стані може відбуватися зміна властивостей металу і його зміцнення. Основні зміни властивостей металу відбуваються внаслідок викривлення кристалічної решітки за рахунок її видовження у напрямі деформації. У будівництві для підвищення границі текучості виробів з дюралюмінію користуються наклепом, для чого їх скручують або витягують у холодному стані. Явище наклепу нестійке, тому що при такому виді обробки навантаження не переходить певної межі і після його зняття форма кристалів набуває свого первісного вигляду. В зв’язку з чим в дюралюміні, зміцненому наклепом, навіть при температурі 15…20ºС дуже повільно, але самовільно починають відбуватися процеси, які знімають викривлення у решітці.

Головною відмінністю виробництва алюмінієвих конструкцій є те, що у процесі їх виготовлення має місце не тільки збирання конструкцій з напівфабрикатів (профілів, листів тощо), але і виготовлення самих напівфабрикатів. Особливі технологічні властивості алюмінієвих сплавів потребують при виготовленні будівельних виробів і конструкцій з них дотримання таких умов: метал необхідно зберігати при температурі 15…20ºС в сухих приміщеннях у нейтральному середовищі і захищати від корозії; вилучати окисну плівку з поверхні зварюваємих деталей у місцях накладання зварних швів, реконсервовувати метал, оброблювати зварювальний дріт.

Технологія виготовлення пресованих профілів складається з таких операцій: нагрівання зливків до температури 623…723 К, пресування профілю необхідного перерізу на горизонтальному гідравлічному пресі; закалювання профілю; випрямлення поперечної і повздовжньої геометрії перерізу; термічна обробка; вирізання металу для визначення його механічних характеристик; контроль геометрії і стану поверхні. Листи з алюмінієвих сплавів отримують прокатуванням. Гнуті профілі виготовляють профілюванням на роликозгинальних станах, згинанням у штампах на пресах. Труби великих діаметрів отримують на листозгинальних машинах. Виробництво гнутих профілів на роликозгинальних станах економічно доцільно, коли необхідно виробити не менше, ніж 20 т гнутих алюмінієвих профілів. Виготовлення гнутих профілів на профільозгинальних станах полягає у послідовному формуванні перерізу з листа або стрічки при їх проходженні крізь пари валків визначеної конфігурації, які обертаються. В зв’язку з цім на одному стані можливо виготовляти профілі тільки однієї конфігурації. Виготовлення профілю іншого розміру потребує встановлення нових роликів або валків. Роликозгинальні стани поділяються на агрегати безперервної і періодичної дії. На станах безперервної дії профілі виготовляють безпосередньо з рулону. Розрізають профілі після виготовлення. На станах періодичної дії профілі виготовляють з листів визначених розмірів. Виготовлення профілів на профільозгинальних станах складається з трьох головних операцій: підготовки заготовки, виготовлення профілю й його обробки. При підготовці заготовки рулон розрізають на розрахункову ширину для агрегатів безперервної дії або на листові заготовки визначених розмірів для установок періодичної дії і подають заготовки до формувальних установок. При формуванні заготовки безперервно проходять крізь формувальні валки. При опорядженні отриманих профілів виконують правку профілю, термообробку (в залежності від марки алюмінієвих сплавів), контроль їх якості, консервацію. При невеликих партіях більш доцільно виготовлення профілів на пресах або згинальних станах. В зв’язку з великою пластичністю і порівняно низьким модулем пружності матеріалу доцільно виготовлення нескладних профілів з тонких листів в спеціальних пристроях. По призначенню гнуті профілі підрозділяють на: конструкції із сплавів АВ, АМг5, АМг6; декоративні із сплавів АД1, АМц, АМг2; будівельні вироби із сплавів АВ, АМц, АМг2. Труби великих діаметрів і оболонки виготовляють з елементів, розміри яких сягають 1300´40 і 5000´15 мм. При цьому мінімально можливий радіус згинання відповідно складає 5 і 10 товщин заготовок.

Процес збирання конструкцій з алюмінієвих сплавів включає операції, які пов’язані з підготовкою зварюваємих торців і поверхонь, зварюванні і обробці швів, усуненню деформацій обумовлених зварюванням. Важливішим фактором, який забезпечує високу якість зварювання і міцність зварних з’єднань в конструкціях з алюмінієвих сплавів, є ретельна підготовка зварюваємих поверхонь і торців елементів. Останнє досягається за допомогою механічної або хімічної їх обробки. Механічне очищення зварюваємих поверхонь використовується при виготовленні великорозмірних конструкцій при ручному і напівавтоматичному зварюванні і виконується дисковими щітками із сталевої проволоки. Хімічна обробка використовується при контактній, точечній і роликовій зварці і виконується за допомогою лужних розчинів.

При виготовленні конструкцій з алюмінієвих сплавів застосовують такі види зварювання – газова ацетиленкиснева, дугова вуглецевими електродами або електродами з обмазкою, аргоно-дугова, контактна. Найбільше розповсюдження отримало ручне напівавтоматичне і автоматичне зварювання в середовищі аргону. Ефективне зварювання елементів конструкцій напівавтоматами, які забезпечують високу якість зварюваємих конструкцій, не потребують витрат значного часу при переході від зварювання швів, розташованих в різних положеннях в просторі. Контактне зварювання використовується для тонколистових конструкцій. Стикове зварювання оплавленням використовується при виготовленні вікон, дверей, перегородок. Основними перевагами цього способу є: висока продуктивність, невеликі витрати часу для виконання підготовчих і опоряджувальних операцій, добрий зовнішній вигляд з’єднань. Газове зварювання і зварювання вуглецевими електродами не заболочують необхідної корозійної стійкості конструкцій з алюмінієвих сплавів і тому використовується тільки в особливих випадках. Газове зварювання виконують з застосуванням спеціального флюсу АФ14А, який складається з фтористих або хлористих сполук калію, літію і натрію. Електродугове зварювання здійснюють з застосуванням різних флюсів як обмазки електрода, осердя якого виготовлене з тієї ж марки алюмінієвого сплаву, що і зварюваємий виріб. Найбільш продуктивним є спосіб зварювання алюмінієвих сплавів у середовищі аргону з вольфрамовим електродом, який не розплавляється.При застосуванні аргоно-дугового зварювання продуктивність зварювання, у порівнянні з газовим зварюванням, підвищується у 6…8 разів.

Процес виготовлення клепаних конструкцій складається з операцій збирання, розсвердлування, клепки. Постановка заклепок в цьому разі виконується скобами або клепальними молотками в холодному або гарячому стані.

Для захисту алюмінієвих конструкцій від корозії вони покриваються перхлорвініловими лаками, штучним шаром оксиду алюмінію, поліруються механічним або електромеханічним способами. Вибір способу захисту алюмінієвих конструкцій від корозії залежить від властивостей алюмінієвого сплаву, типорозмірів виробів, агресивності оточуючого середовища. При виготовленні віконних блоків алюмінієві стулки і коробки виготовляють у такій послідовності: розкроюють розкладку, злив, з’єднувальні кутики, облицювальні профілі. Потім на свердлувальних станках по контурам виконується свердлування отворів для встановлення зсувів і петель у стулкових профілях і кріплень алюмінієвої коробки до дерев’яної, а також фрезеруються поглиблення для петель у стулковому профілі і розкладці. Одночасно розкроюють на смуги алюмінієві листи, які потім полірують і до них прикріплюють з’єднувальні деталі. Потім стулки і коробки збирають, покривають лаком у електростатичному полі струмів високого напруження і висушують. Для захисту від корозії може застосовуватись метод анодування. Після встановлення ущільнюючої профільної гуми готові стулки і коробки поступають на місце збирання віконних блоків.

У теперішній час перспективним є виробництво стінових панелей з обшиттям з алюмінієвих сплавів і утеплювачем з жорстких пінопластів типу пінополістиролу ПСБ-С, пінополіуретану. Виготовляють такі панелі на конвеєрних автоматичних лініях потужністю 1,5 млн. м в рік. Виготовляти панелі з віконними отворами, закладними виробами можна на стендових лініях потужністю 475 тис. м в рік. На стендових установках можна виготовляти легкі багатошарові панелі з середнім шаром з пінопластів, які спучуються у порожнині конструкції. Витрати на виготовлення таких конструкцій у 2…3 рази менші в порівнянні з виробництвом конструкцій з легких бетонів.

Потужність заводів по виготовленню виробів і конструкцій з алюмінієвих сплавів може складати 7, 12 і 20 тис. т в рік. На підприємстві потужністю 7 тис. т виготовляють віконні і дверні блоки, панелі зовнішніх стін промислових і цивільних будинків. На заводах потужністю 12 і 20 тис. т виготовляють профільні конструкції, перфоровані підвісні стелі, панелі. В склад підприємств по виготовленню виробів і конструкцій з алюмінієвих сплавів входять цехи пресування профілів, заготовчий, збиральний, захисних покриттів, багатошарових панелей, переробки відходів, а також вспоміжні обслуговуючі цехи. Цехи по виробництву алюмінієвих конструкцій і пресування профілів оснащені напівавтоматичними потоковими лініями, а цехи захисних покриттів – автоматичними лініями.