МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Свариваемость алюминия и его сплавов

Технологическая свариваемость алюминия и его сплавов осложняется специфическими теплофизичес­кими свойствами (теплоемкость, теплопроводность, теплота плавления, температура плавления), системой и уровнем легирования, количеством примесей (Fe, Si), объемом растворенных газов (02, Н2), а также особен­ностями кристаллизации сварочной ванны (рост зерна, высокие скорости охлаждения, развитие химической, структурной и механической неоднородности и т д.).

Указанное многообразие факторов и часто противопо­ложное их воздействие на уровень свойств сварных швов и соединений (пластичность, вязкость) предопределяет появление дефектов металлургического и технологичес­кого характера, снижающих свойства в сравнении с ос­новным металлом и ограничивающих использование сварных соединений в конструкциях ответственного назначения. Устранение причин появления дефектов или их исправление осложняет технологию сварки и, следовательно, ухудшает технологическую сваривае­мость алюминия и его сплавов.

С этой точки зрения технологическую свариваемость следует оценивать как наличие определенных проблем (і рудностей) сварки, к которым можно отнести склон­ность к горячим (кристаллизационным), а иногда и к холодным трещинам, образование окисных включений і швах, ухудшающих сплавление кромок и охрупчива - ющих металл шва, пористость и нарушение формиро­вания швов, повышенные сварочные деформации и ко­робление свариваемых кромок в процессе сварки и т д.

Известно, что склонность к горячим трещинам (техно­логическая прочность в процессе сварки) конструкци-

237

онных сплавов определяется уровнем их деформацион­ной способности в период кристаллизации, а также тем­пом нарастания растягивающих напряжений в температур­ном интервале хрупкости (ТИХ). Механизм образования горячих трещин описан в литературе [4, 7], а схема про­цесса показана на рис. 8.1. Специфическими и усугуб­ляющими факторами трещинообразования при сварке AJ-сплавов являются более широкий (в сравнении со сталями) ТИХ, повышенный объем эвтектики и охруп - чиваюших примесей в ванне, степень ее окисленности, содержание газов. Эти факторы в сочетании с увеличен­ным объемом расплавленной сварочной ванны, значи­тельной литейной усадкой и формирующимся крупным зерном при сварочном нагреве определяют высокие тем­пы роста деформаций кристаллизующейся ванны и ис­черпание пластичности металла, что и ускоряет возник­новение горячих трещин. Наибольшую склонность к горячим трещинам при сварке проявляют сплавы сис­тем Al-Cu, Al-Zn, Al-Si, менее склонны к ним сплавы систем Al-Mg, А1-Мп.

Практически склонность к горячим трещинам оце­нивается по технологическим пробам, из которых наи­более жесткой является кольцевая проба. Критерием склонности к горячим трещинам по этой пробе являет­ся суммарная длина образовавшихся трещин при свар­ке сплавов различного легирования на различающихся режимах сварки, либо при сварке заданного сплава раз­личными электродными материалами. На основе таких проб определяются способы и материалы получения работоспособных соединений.

Другой важной проблемой свариваемости являются наличие на свариваемых кромках и образование в процес­се сварки тугоплавких и хрупких оксидов А1£)3 или, точ­нее, МеО ‘ А1/)ъ способных адсорбировать газы и влагу (АІ203'ЗН20). Последняя удерживается оксидной плен-

Глава Т8. Алюминий и его сплавы

кой вплоть до плавления металла, способствуя впослед­ствии образованию пор. Оксид А1203 отличается высо­кой химической прочностью против диссоциации и ре­акциями с другими металлами в твердом состоянии. Восстановление алюминия из его оксида в условиях сварки практически исключено. Оксид покрывает сва­рочную ванну и, не расплавляясь, удерживается повер­хностным натяжением на ее поверхности. Обладая вы­соким электрическим сопротивлением ((DА 1,0з= 1-Ю7 Омсм), оксид резко снижает стабильность дугового раз­ряда, приводя к блужданию дуги, ухудшению формиро­вания поверхности шва, образованию несплавлений и шлаковых включений.

В алюминиевых сплавах, как правило, содержится не более 8-9% легирующих элементов (Си, Mg, Мп, Si, Zn м др.) и 0,2—1,7% примесей. Они несколько изменяют указанный характер, состав и свойства оксидов. Уста­новлено, что при Т = 700—750 °С окисление Си, Мп и Si маловероятно, а окисление Be, Mg, Са — значительно. )то приводит к тому, что, например, в сплавах системы А1 Mg оксидная пленка представляет собой шпинель АЬ03 • MgO или оксид MgO (если магния в сплаве бо­лее 1,5%). Такая пленка слабо защищает основу от даль­нейшего окисления, так как она пористая. Имея перис - го-хлопьевидное строение и повышенную плотность, она кшет в сварочной ванне и зашлаковывает корень шва.

I ^значительная добавка бериллия в алюминиевый сплав улучшает в десятки раз защитные свойства оксида.

Для стабилизации дугового разряда и уменьшения оксидных включений в швах необходимо удалять окис­ную пленку со свариваемых кромок, присадочной про­волоки и принимать меры к защите ванны от взаимодей - I і вия с кислородом (поддув Ат в корень шва, насадки к трелкам, малые зазоры).

Водород в отличие о г других газов (02, N2) обладает несколько повышенной способностью растворяться в расплавленной алюминиевой ванне и при ее кристалли­зации в условиях сварки (высокие скорости охлажде­ния), не успевая выйти из шва, образует поры е швах (48% всех дефектов швов). Основным источником во­дорода в сварочной ванне является реакция взаимодей­ствия влаги, содержащейся в составе окисной пленки, с металлом:

2А1 + ЗН20 = А1203+ 6Н+. (18.1)

Снижение концентрации растворенного водорода до [Н] < 0,7 см3/100 гм практически устраняет пористость Это достигается соответствующей подготовкой поверх­ности свариваемых кромок и проволоки (механическая очистка, промывка заготовок горячей водой, спиртом, химическое травление, полирование проволоки и т. п.), надежной зашитой зоны сварки от атмосферы, исполь­зованием повышенных диаметров присадочной прово­локи, снижением доли основного металла в шве, соблю­дением нормативных сроков хранения материалов перед сваркой, регулированием режимов сварки и т. д.

Повышенное коробление сварных соединений, объясняю­щееся большой величиной коэффициента линейного рас­ширения (ад] = 0,24 * 10~4 град 1 и астал„ = 0,12 • 104 град ') и низким модулем упругости, также усложняет технологию сварки и требует выполнения ряда технологических мер по устранению или существенному снижению уровня короб­ления (жесткое закрепление свариваемых кромок, предва­рительное их формирование, усиление теплоотвода в ос­настку, утолшение кромок и т. д.).

Необходимость использования мощных и концент­рированных источников теплоты для сварки алюмини­евых сплавов (из-за высокой теплопроводности) приво­дит, в частности, к значительным токовым нагрузкам на

вольфрамовые электроды, что является причиной появ­ления в швах вольфрамовых включений. Использование вольфрамовых электродов, легированных окислами лан­тана и иттрия (ЭВЛ -10, ЭВИ-2), обладающих повышен­ной термостойкостью, существенно их уменьшает.

Применение в отдельных случаях подогрева кромок до Т = 150—200 °С является особенностью сварки, ко­торую необходимо учитывать при сварке высокопроч­ных термически упрочняемых алюминиевых сплавов.

Отсутствие цветов побежалости затрудняет визуаль­ное наблюдение за процессом нагрева и расплавления металла и приводит к прожогам.

Технология сварки

18.4.1. Подготовка металла под сварку и типы соединений

Перед сваркой с кромок тщательно удаляют техноло­гическую смазку, которой покрыты полуфабрикаты. Поверхность металла на ширине 100—150 мм в обе сто­роны от свариваемой кромки обезжиривается ацетоном, Уайтспиритом, растворителями PC—1, PC—2. Обезжири­вание можно производить также в водном растворе со - стлва: 40-50 г/л Na3P04- 12Н20, 40-50г/л соды СаС03, 25—30 г/л жидкого стекла Na2Si03 в течение 4—5 мин при Т = 70 °С.

Поверхностную оксидную пленку, находящуюся ПОД ісхнодогической смазкой, удаляют на ширине 25—30 мм пі стыка металлическими щетками или шабером. Пос­ле зачистки кромки вновь обезжиривают.

При массовом производстве изделий для удаления оксидной пленки с поверхности детали перед сваркой

подвергают травлению в щелочных ваннах по следую­щей технологии:

1) обезжиривание в растворителе;

2) травление в ванне из водного раствора 45—50 г/л NaOH в течение 1—2 мин при Т = 60—80 С;

3) промывка в проточной горячей воде (Т = 60 -80 °С), а затем в холодной воде (Т = 20 °С);

4) осветление (удаление остатков NaOH) в 30% ра­створе HN03 в течение 2 мин при Т = 60 "С;

5) промывка в холодной проточной воде, а затем в горячей (Т = 60-80 °С);

6) сушка горячим воздухом.

Электродные проволоки из алюминиевых сплавов травятся в ваннах такого же состава, что и заготовки. После травления проволоку рекомендуется подвергать электрохимическому полированию (травлению) в сме­си фосфорной Н3Р04 и серной H2S04 кислоты с добав­кой окиси хрома Сг203. Эта операция снижает порис­тость и окисные включения в швах. Такая обработка заготовок и проволоки обеспечивает минимальную тол­щину окисной пленки на их поверхностях, сохраняющу­юся в течение 3—4 дней.

Сварку рекомендуется производить в помещениях, чи­стота которых гарантируется их отделкой и регулярной уборкой. Все подготовительные и сварочные работы вы­полняются в чистой спецодежде и сухих перчатках. Тем­пература в помещении должна быть не ниже Т = 18—20 °С.

Основные типы соединений, применяемые при свар­ке, регламентированы ГОСТ 14806-80. Стыковые со­единения предпочтительны и применимы при всех спо­собах сварки. Для облегчения удаления оксидных включений из корня шва используют формирующие подкладки со специальной формой канавки или раздел ку кромок с обратной стороны (рис. 18.4).

Сварка металла толщиной S = 3—6 мм производится без разделки кромок за 1—2 прохода. При толщине S > • 6,0 мм для уменьшения объема наплавки рекоменду­ется V-образная разделка кромок с углом разделки, выби­раемым согласно ГОСТ 14806—80_ Разделку рекомендуется миолняіь валиками малого сечения. При аргонодуговой і марке W-электродом на свариваемые кромки часто на­носятся фторидные флюсы, разведенные на спирте, что і пособствует уменьшению числа оксидных включений, і іабилизирует сварочную дугу и повышает ее проплав­ляющую способность.

18.4.2. Способы и особенности сварки

Газовая сварка применяется для неответственных mi полистовых соединений или ремонте отливок. Co­mb газовой смеси — нормальный с незначительным н ібьітком ацетилена. Мощность пламени выбирается в іависимости от толщины металла Для защиты от окис - ІСШ1Я металла газами пламени и удаления окислов с кромок при сварке применяют флюсы. Наиболее рас­пространенным является флюс АФ—4А, вводимый или с присадочным прутком или наносимый в виде пасты на кромки перед сваркой. Состав флюса: 28% NaCl, 50% К СІ, 14% LiCl, 8% NaF. После сварки остатки флюса

удаляют промывкой в горячей воде. В качестве приса­дочного металла применяют проволоку или прутки из алюминия или его сплавов. Диаметр проволоки выби­рают в зависимости от толщины свариваемых элемен­тов (табл. 18.2) [16].

Таблица 18.2

Выбор диаметра присадочной проволоки в зависимости от толщины свариваемых кромок

При сварке листов S > 8—10 мм или при заварке де­фектов литья рекомендуется подогрев изделия до Т = 250—300 °С. Механические свойства сварных соедине­ний при газовой сварке всегда ниже свойств основного металла [асвхосд. = (0,6-0,65)овом].

Дуговая сварка угольным электродом применяется, в основном, для соединения алюминиевых электричес­ких шин и заварки дефектов литья. При толщине метал­ла S < 2,0—2,5 мм сварку ведут без разделки кромок, а при больших толщинах — с разделкой и с гарантиро­ванным зазором. Сварка ведется постоянным током прямой полярности с использованием алюминиевых или угольных формирующих подкладок. Диаметры угольных электродов выбирают в зависимости от толщи­ны и для S = 4—15 мм они составляют d3 = 8-15 мм. В качестве присадочных материалов используются алю­миниевые прутки диаметром 4-8 мм. При сварке ис­пользуют флюсы, аналогичные по составу флюсам для газовой сварки. Механические свойства соединений близки к основному металлу.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами при­меняется для малонагруженных конструкций из тех­

нического алюминия (АДО, АД1), сплавов АМц, АМг и силуминов (АЛ2, АЛ4). Сварка производится постоян­ным током обратной полярности, как правило, с подо­гревом до Т = 250-350 °С с целью получения требуемо - ю проплавления при умеренных токах сварки.

Основным типом соединения является стыковое. Соединения тавровые и внахлестку, как правило, не ре­комендуется применять из-за большого перегрева ме­талла, роста зерна и коробления соединения. При необ­ходимости их сварки катет шва должен быть не менее 5 мм. При толщине S = 4-20 мм разделки кромок не требуется, но зазоры не должны быть более 0,5-1,0 мм. Сварка производится на стальных подкладках, а швы выполняются двусторонними. Для больших ТОЛЩИН угол V-образной разделки составляет а = 70—90 а за­зоры в стыке — 1,5—2,0 мм.

Электроды перед сваркой прокаливаются при Т = 150—200 °С. Величину сварочного тока можно выбирать из соотношения 1св = (45—60)(3-,. Прихватку кромок, как правило, производят с подогревом до Т = 200—250 °С. Прихватки (или нижележащие слои) перед сваркой тща - гсльно зачищаются от шлака и окислов.

Металлическими стержнями электродов для сварки алюминия являются проволоки марок СвА1, СвА5, СвАК5 (ГОСТ 7871-75), а для алюминиевых сплавов — проволоки СвАМц, СвАМгІ, СвАМгЗ, СвАМг5, СвАМгб и др.

В качестве электродных покрытий, основное назначение которых состоит в разрыхлении и возгонке окисной плен­ки, используются растворы хлористых и фтористых солей щелочноземельных металлов (NaCl, KG, LiCL NaF) и кри­олит. Стандартом для сварки алюминия предусмотрено лишь 2 марки электродов (ОЗА— 1, ОЗА—2.). В табл. 18.3 представлены ориентировочные режимы ручной дуговой с парки алюминия и его сплавов.

245

Механизированная сварка по слою флюса, обеспечива­ющая глубокое проплавление, используется при изго­товлении цистерн и емкостей толщиной S = 10-30 мм. Б качестве флюсов используют смеси криолита Na3AlF6 с галогенидами NaF и хлоридами NaCl, КС1. Для техни­ческого алюминия наиболее применим флюс АН-А, а для сплавов системы Al-Mg — АН—4А. Флюсы обла­дают повышенной электропроводностью, шунтируют дугу и нарушают стабильное ее горение. Поэтому в про - иессе сварки строго контролируются высота и ширина насыпаемого перед дугой флюса (h^ = 10-16 мм). Свар­ка ведется постоянным током обратной полярности с использованием стальных формирующих подкладок. Режимы сварки приведены в табл. 18.4. Подогрева кро­мок не требуется.

Особенностью процесса, приводящего к непроварам, несплавлениям кромок и порам, являются поперечные колебания конца электродной проволоки (из-за ее ма­лой жесткости) относительно стыка. В этом случае свар­ка сдвоенным (расщепленным) электродом дает лучшие результаты за счет увеличения размеров ванны и време­ни ее пребывания в жидком состоянии. В последние годы разработаны флюсы, при использовании которых можно сваривать алюминиевые сплавы под слоем флю­са (ЖА—64, ЖА—63А). При этом требования к точнос­ти сборки весьма высоки. Сварку ведут на флюсовой

Ориентировочные режимы сварки по флюсу алюминия и его сплавов и механические

свойства соединений

подушке постоянным током обратной полярности. В этом случае снижается опасность появления прожо­гов и снижается пористость швов, улучшаются условия труда сварщиков.

Для электрошлаковой сварки используются указан­ные выше проволоки и флюсы марок АН-А301, АН - А302.

Сварка в защитных (инертных) газах и их смесях ис­пользуется для ответственных соединений. В качестве защитного газа используют аргон первого и высшего сорта (ГОСТ 10157—73) или смеси аргона и гелия. Вид сварки — неплавяшимся или плавящимся электродом — выбирается в зависимости от толщины металла, конст­рукции изделия и необходимой производительности.

Преимуществом сварки неплавящимся вольфрамовым электродом являются высокая устойчивость горения дуги и интенсивное разрушение окисной пленки (при свар­ке на переменном токе) за счет катодного распыления. Этот вид сварки целесообразен для металла S < 12 мм при использовании W-электродов диаметром 2—6 мм. При этом для толщин S < 3,0 мм сварка ведется без раз­делки кромок за один проход на стальной подкладке. При S - 4—6 мм сварку выполняют с двух сторон, а при S > 6 мм выполняют V-образную или Х-образную раз­делку кромок. Величина сварочного тока выбирается в зависимости от диаметра вольфрамового электрода, ис­ходя из соотношения lcu = (50—55)d3. Скорость сварки определяется необходимостью получения требуемой стандартом формы шва и обычно не превышает значе­ний VCB = 8—15 м/ч.

Надежность зашиты ванны зависит от расхода газа, диаметра и формы сопла горелки, расстояния сопла от изделия, условий доступа горелки к месту сварки, нали­чия сквозняков на участке.

Техника сварки характеризуется возвратно-поступа­тельным движением присадочной проволоки, отсут­ствием поперечных колебаний присадочной проволоки, короткой длиной дуги и малым вылетом W-электрода.

Для сварки весьма малых толщин (S < 1,0—2,0 мм) успешно используют процесс импульсно-дуговой свар­ки переменным током, а для сварки больших толщин (до 20 мм) можно применить способ сварки погружен­ной дугой или использовать трехфазную дуговую свар­ку вольфрамовым электродом Последняя обеспечивает более тонкую регулировку теплонложения и получение требуемых параметров и качества шва.

Для механизированной сварки используют токи большие, чем при ручной. Сварку выполняют за один или несколько проходов одно - или двусторонними шва­ми. Особенностью процесса является то, что присадоч­ная проволока подается механизмом подачи таким об­разом, чтобы ее конец опирался на край сварочной ванны. Это позволяет уменьшить количество оксидной пленки в ванне. Однако это требует весьма точной сбор­ки под сварку, что удорожает сварку. Использование повышенных токов предусматривает применение W - элекгродов, легированных окислами иттрии или ланта­на (ЭВЛ—10, ЭВИ—2), что существенно повышает срок их службы. Для сварки термически упрочняемых спла­вов с целью уменьшения ширины зоны разупрочнения используют сварку на асимметричном переменном токе о г специального источника питания. Это позволяет уве­личить проплавление при прямой полярности и улуч­шить катодную обработку ванны в период обратной полярности.

Ориентировочные режимы ручной дуговой и автома­тической сварки неплавящимся электродом стыковых соединений приведены в табл. 18.5.

Сварку плавящимся электродом в защитном газе ис­пользуют при толщине металла S > 3,0 мм. При этом при­меняется постоянный ток обратной полярности, что обеспечивает хорошее перемешивание ванны, разруше­ние крупных оксидных включений и удовлетворительное формирование швов. Основным преимуществом спосо­ба является высокая производительность. Сварку можно вести как автоматическую, так и полуавтоматическую. Режимы автоматической сварки приведены в табл. 18.6.

При сварке в горизонтальном или потолочном поло­жениях сварочный ток уменьшается на 10—15%.

Использование импульсно-дуговой сварки плавя­щимся электродом увеличивает производительность процесса, расширяет диапазон токов с направленным мелкокапельным переносом металла, улучшает стабиль­ность дугового разряда и формирование швов, снижает

Глава 18. Алюминий и его сплавы

уровень деформаций. Режимы сварки детально пред­ставлены в литературе [16].

Основное преимущество плазменной и микроплаз - менной способов сварки состоит в высоких скоростях и стабильности процесса, сужении ширины зоны терми­ческого влияния, существенном увеличении глубины проплавлення и снижении остаточных деформаций.

Однако оба указанных способа требуют повышенной точности сборки под сварку (зазоры, смещения кро­мок), специальных источников питания и часто особой конструкции горелок (сопел).

При сварке термически упрочняемых высокопроч­ных алюминиевых сплавов (Діб, АДЗЗ, АК6, В93 и т. п.) основными проблемами свариваемости являются обра­зование трещин в шве и околошовнои зоне и разупрочнение металла в зоне термического влияния. Эти обстоятельства обязывают более тщательно подбирать сварочные мате­риалы (они часто отличаются по легированию от основ­ного металла), строго контролировать режимы сварки, выбирать рациональный порядок наложения швов, а иногда использовать предварительный и сопутствую­щий подогрев. Коэффициент прочности сварных соеди-

нений составляет 0,5—0,65, в то время как при сварке термически неулрочняемых алюминиевых сплавов типа АМц, АМг он может достигать 0,9—1,0. Повысить проч­ность соединения из упрочняемых сплавов можно пос - лссварочной термической обработкой — закалкой с по­следующим старением и пи только старением.

В последние годы расширяется использование элек­тронно лучевой сварки алюминиевых (особенно термо­упрочняемых) сплавов. Пронесе сварки характеризует ся более высоким к. п.д, разрушением и удалением оксидной пленки, обезводоражкванием ванны и сниже­нием пористости, меньшим временем пребывания в твердо-жидком состоянии и уменьшением кристаллиза­ционных трещин, снижением степени разупрочнения высокопрочных сплавов. При этом сварка стыковых соединений S > 20 мм выполняется за один проход а механические свойства соединений близки к основно­му металлу. Однако экономически этот способ сварки не всегда оправдан.

Более подробную информацию об особенностях сварки алюминия и его сплавов можно получить в ли­тературе [5, 16].