МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Чистый магний отностся к самым легким металли­ческим материалам (у = 1,54—1,6 г/см3), обладающим относительно невысокой прочностью (ов= 80—110 МПа), малой пластичностью (5 = 8—10°о) и довольно низкой температурой плавления (Тпл = 680 °С). В земной коре он содержится в виде магнезита MgC03 и доломита MgC03- СаС03, из которых и производится [17].

В качестве конструкционных материалов, обладаю­щих высокой удельной прочностью (cjj/y), используют­ся магниевые сплавы, выпускаемые в виде профилей или листов по ГОСТ 14957-75, обладающие повышен­ными по сравнению с чистым магнием механическими свойствами (ов < 400 МПа) и химической стойкостью в бензине, феноле, водных растворах карбонатов, хорошо обрабатывающиеся резанием и удовлетворительно сва­ривающиеся. Маркируют сплавы буквой М с последу­ющей буквой А для обрабатываемых сплавов и буквой J1 для литейных сплавов. Сварные конструкции из маг­ниевых сплавов применяются в авиационной, автомо­бильной, электротехнической и других отраслях про­мышленности.

В качестве основных легирующих элементов в магни­евых сплавах используются Al, Zn, Zr, Се (как упроч-

254

Глава 19. Магний и его сплавы

нители) и Мп, Zr, Nd (как повышающие коррозионную стойкость и жаропрочность). Магниевые, как и алюми­ниевые, сплавы разделяются на деформируемые и ли­тейные, а по чувствительности к термообработке — на термически упрочняемые и неупрочняемые. Деформи­руемые магниевые сплавы, применяемые для сварных конструкций, можно разделить на три группы:

1. Сплавы системы Mg Мп (MAI, МА8), термичес­ки не упрочняемые и относительно хорошо свари­вающиеся, пониженной прочности (ств = 200— 250 МПа) и высокой коррозионной стойкости.

2. Сплавы системы Mg-Al-Zn (МА2, МА2—1), термичес­ки не упрочняемые и удовлетворительно свариваю­щиеся, средней прочности (ов = 240-280 МПа) и по­вышенной теплостойкости (за счет добавок церия).

3. Сплавы системы Mg-Zn-Zr (МА5, МА14, МА11, МА13, ВМД1) — термически упрочняемые (старе­ние при Т = 175—200 °С или закалка с Т = 500— 570 С + старение), ограниченно сваривающиеся, повышенной прочности (ов= 280—350 МПа) и теплостойкости (Траб < 400 °С).

К литейным относятся сплавы систем Mg-Mn (MJ72), Mg-Al-Zn (МЛЗ, МЛ4, МЛ6), Mg-Nd-Zr (МЛ 10). Их чаще применяют при изготовлении литых изделий (бло­ки и корпуса двигателей, фланцы и т. п.)

Свариваемость и особенности технологии

19.2.1. Основные проблемы свариваемости

Магний и его сплавы обладают высоким сродством к кислороду, образуя оксид MgO • пН20, обладающий боль­шой в сравнении с Mg плотностью (у = 3,2 г/см3) и вы-

255

сокой температурой плавления (ТП1 = 2800 °С). Однако этот оксид не защищает сплав or дальнейшего окисле­ния (МеО/Ме < 1) из-за его пористости, и поэтому для предотвращения процесса окисления при хранении и транспортировке магниевых полуфабрикатов их повер­хности покрывают технологической смазкой.

При сварке оксидная пленка не расплавляется и по­крывает поверхность сварочной ванны, что существен­но нарушает устойчивость дуги, препятствует сплавпе - нию жидкого металла с кромками и присадочным материалом, загрязняет шов неметаллическими включе­ниями, снижая его механические свойства, способствует насыщению шва водородом и т. д.

Эти особенности сплавов осложняют технологичес­кую свариваемость, требуя применения мер для разру­шения и удаления оксида магния, а также усложняя приемы защиты ванны от атмосферы воздуха в процес­се сварки и обеспечения стойкости против окисления изготовленной сварной конструкции [17].

В жидком металле сварочной ванны кроме 02, как правило, присутствуют растворенные і азы СО, С02, N, Н2 и пары воды. Взаимодействие магния и его сплавов с этими газами приводн і' к образованию оксидов, кар­бидов, нитридов, гидридов, что дополнительно услож­няет их свариваемость. Например, выделение молеку­лярного водорода при диссоциации окисной пленки с адсорбированными на ней молекулами воды является основной причиной пористости швов. Как правило, поры располагаются у линии сплавления

При кристаллизации магниевые сплавы склонны к образованию крупнокристаллической структуры, что объясняется низкими значениями теплоты плавления и удельной теплоемкости сплавов, приводящими к повы­шению концентрации нагрева при сварке. Модифици­рование сплавов цирконием и церием способствует

256

измельчению зерна, снижению склонности ктрещино - образованию и повышению пластичности металла шиэ

Широкий интервал кристаллизации магниевых спла­вов в условиях наличия интерметаллидных прослоек типа MgAl, MgNi, MgCu, а также жидких легкоплавких эвтектик между формирующимися кристаллитами и высокий темп нарастания упругонластических деформа­ций в шве определяет повышенную их склонность к го­рячим (кристаллизационным) трещинам. Введение мо­дификаторов (Zr, Се) через сварочные проволоки обеспечивает меньшую склонность к образованию кри­сталлизационных трешнн.

Магний обладает высоким температурным коэффи­циентом линейного расширения (а = 29 * 10 град'1)* что приводит к повышенному короблению свариваемых кромок в процессе нагрева и усложняет ведение процес­са сварки.

19.2.2. Подготовка деталей под сварку и типы соединений

Подготовка под сварку деталей заключается в удачен и и с поверхности заготовок жировых загрязнений, окисных пленок и профилировании свариваемых кромок.

При расконсервации полуфабрикатов (листов, про­филей) защитная техническая смазка удаляется с повер­хности скребками и щетками с последующей промыв­кой, обезжириванием поверхности растворителями (ацетон технический, растворитель ПС—1, бензин, уайт - спирит) и травлением. Технологические приемы и пос­ледовательность выполнения указанных операций при подготовке деталей к сварке такие же, как и для алюми­ниевых сплавов. Отличия состоят в составе используе­мых для магниевых сплавов реактивов для травления

257

поверхности. Один из них, например, имеет состав: 150-200 г/л Сг203, 25-35 г/л KNa03, 2-3 г/л CaF2. При­садочный металл (проволока, прутки, «лапша») обраба­тывается в специальных ваннах в таком же порядке и теми же химикатами.

Непосредственно перед сваркой кромки деталей ре­комендуется зачищать шабером для уїменьшения толщи­ны оксидной пленки. На подготовленных кромках не должно быть заусенцев. Срок хранения подготовленных кромок и сварочных материалов не более 48 часов до начала процесса сварки.

Типы соединений для сварки магниевых сплавов и формы разделки кромок для соответствующих толщин аналогичны алюминиевым сплавам.

19.2.3. Технологические рекомендации по сварке

Основной рекомендацией по сварке плавлением маг­ниевых сплавов является обеспечение надежной защи­ты сварочной ванны и близлежащих ко шву участков основного металла от взаимодействия с газами окружа­ющей атмосферы. Практически используется одно - и трехфазная аргонодуговая ручная и механизированная сварка в инертных газах неплавящимся вольфрамовым электродом на переменном токе и реже сварка плавя­щимся электродом на постоянном токе обратной поляр ­ности. Это значительно снижает возможность окисления жидкой ванны и позволяет использовать эффект катод­ного распыления для очищения свариваемых кромок от образующейся в процессе нагрева оксидной пленки.

Вследствие повышенной жидкотекучести ванны и практически полной потери прочности металла при температурах твердо-жидкого состояния для формиро­вания обратной стороны шва обязательно применение подкладок (медных или из нержавеющих сплавов) со специальными формами канавок в них, способствую­щих удалению оксидных пленок из корня шва (см, рис. 18 .4). Положительное влияние на качество формирова­ния поверхности и размеров шва, а также на снижение коробления кромок при сварке оказывает импульсно­дуговая сварка вольфрамовым электродом.

Из-за склонности магниевых сплавов к перегревам и росту зерна (малая теплоемкость, низкая температура плавления) при сварке плавлением рекомендуется ис­пользовать пониженные по сравнению с алюминием юки или повышенные скорости сварки при одинаковых гоках Величина сварочного тока ориентировочно выби­рается из соотношения 1св = (40—50)dw. При толщине стыкуемых элементов S < 6 мм сварка вольфрамовым электродом производится без разделки кромок, при уве­личении свариваемых толщин используется V-образная разделка кромок. При ручной дуговой сварке в качестве присадочных материалов используются обычно проволо­ки или нарезанные полоски металла («лапша»), близкие по составу к основному металлу, что позволяет получить удовлетворительные механические свойства (овшв = (0,8— 0,9)овом) сварных соединений. Сварку следует вести короткой дугой (1Д = 2,0—3,0 мм). Ориентировочные ре­жимы сварки приведены в табл. 19 I.

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом, обеспечивая устойчивое управление режимами сварки, дозированное тепловложение и оптимальную форму шва, существенно снижает склонность к образованию трещин и пор. При всех перечисленных способах свар­ки в качестве защитного газа используется аргон выс­шего или первого сорта или смесь 75% Аг + 25% Не.

S я

S I

п о.

Он «

о

о

При устранении дефектов в отливках с помощью сварки необходима предварительная механическая под­готовка места ремонта (вырубка, засверловка). Сварка осуществляется при сопутствующем подогреве заготов­ки до Т = 250—350 °С с использованием присадки, ана­логичной по составу основному металлу. Более полную информацию об особенностях сварки магниевых спла­вов можно получить в литературе [5, 6, 17].