МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ МИКРОПЛАЗМЕННОЙ СВАРКЕ

К металлургическим процессам при сварке в защитных газах относят обычно процессы высокотемпературного взаимодейст­вия газов со свариваемым металлом, а также реакции жидких и твердых фаз в зоне плавления. Конечная цель технологиче­ского процесса микроплазменной сварки заключается в полу­чении между соединениями металлическими телами таких свя­зей, которые обеспечили бы требуемые служебные свойства соединений.

Как известно, по способности образовывать прочные меж­атомные связи все элементы делят на две неравные группы:

химически активные и химически инертные. В зависимости от химических свойств активные элементы делят на две также неравные группы: металлы и неметаллы. Наиболее типичными представителями металлов являются медь и серебро, а неметал­лов— азот, водород, углерод. Активные элементы имеют не пол­ностью застроенные внешние оболочки и способны образовывать различные соединения с более или менее прочными связями. К химически инертным элементам относится группа благород­ных газов — аргон, неон, гелий, криптон, ксенон и родон. Атомы инертных газов имеют заполненные внешние электронные обо­лочки и поэтому не вступают в химические реакции с другими элементами. Следовательно, с металлургической точки зрения мнертные газы не будут взаимодействовать со свариваемым металлом ни в твердом, ни в жидком состоянии и могут успеш­но применяться в качестве защитных или плазмообразующих сред для любых металлов и сплавов.

Микроплазменным способом можно сваривать практически все однородные металлы и разнородные пары металлов, обла* дающих взаимной растворимостью в жидком состоянии. Естест­венно, невозможна сварка металлов, не смешивающихся в жид­ком состоянии (например, свинца и меди, свинца и железа). Затруднена сварка металлов, образующих при совместной кристаллизации хрупкие химические соединения (алюминий +, + медь, алюминий + сталь, титан + сталь).

Как и при других способах сварки плавлением, время пре­бывания металлической ванны в расплавленном состоянии при микроплазменной сварке зависит от длины ванны и скорости сварки. Поскольку в данном случае длина ванночки обычно равна 2—5 мм, а скорость сварки—10—50 м/ч, время пребы­вания металла ванны в жидком состоянии для встречаемых на практике случаев микроплазменной сварки оценивается от песколькил десятых секунд до 2—3 с. Следует отметить, что при дуговых способах сварки металлов средних и больших толщин это время достигает 50 с и более. Небольшие размеры сварочной ванны и весьма малая длительность пребывания металла в жидком состоянии обусловливают специфичность металлургических процессов при микроплазменной сварке металлов малых толщин. Так, например, при микроплазменной сварке во многих случаях появляется возможность использо­вать в качестве защитного газа аргоно-водородные смеси, кото­рые, как правило, непригодны для дуговой сварки тех же ме­таллов и сплавов средних и больших толщин.

Следует иметь в виду, что в инертных газах, используемых в качестве защитных или плазмообразующих сред, всегда име­ются примеси активных газов (кислорода, азота, водорода и паров воды). Кроме того, активные газы могут попадать в зону дуги также из атмосферы воздуха при нарушении газовой за - щиты. В определенных условиях указанные примеси и продукты их разложения приводят к образованию в швах дефектов ме­таллургического характера (пор, трещин, неметаллических включений).

При выборе состава защитного газа или газовых смесей необходимо Сірого учитывать особенности поведения кислорода, азота и водорода по отношению к металлу сварочной ванны и околошовной зоны.

Непременное условие получения качественных сварных со­единений металлов малых толщин — предупреждение взаимо­действия сварочной ванны, околошовной зоны и присадочного металла с кислородом и азотом путем выбора соответствующего состава защитного и плазмообразующего газов, создания надеж­ной защиты и использования основных технологических материа­лов с чисюй поверхностно. При микроплазменной сварке без защитного газа металл сварных швов обычно получается хруп­ким, несмотря на то, что основной металл и присадочная про­волока представляют собой весьма пластичные материалы. Эта хрупкость вызвана тем, что при отсутствии защитного газа сре­дой, окружающей сварочную ванну, является атмосферный воздух, содержащий кислород и азот. Во влажном воздухе находятся также пары воды. Каждый из этих газов, как правило, отрицательно влияет на свойства сварных сое­динений.

Характер взаимодействия различных металлов с кислородом в условиях сварки неодинаков. Ряд металлов (например, же­лезо, медь, титан) в жидком состоянии растворяют то или иное количество кислорода. Другие металлы (алюминий, магний) практически не растворяют кислород ни в жидком, ни в твер­дом состоянии. При их окислении образуются отдельные фазы либо в виде обособленных пленок окислов, либо в виде частиц, распределенных в металле шва.

С повышением температур растворимость кислорода в ме­таллах первой группы увеличивается. Например, при темпера­туре плавления чистое железо растворяет до 0,22% кислорода. Во время охлаждения шва закись железа выделяется из раст­вора. Если содержание кислорода в шве превышает 0,035%, он в виде закиси — окиси располагается на охлажденном металле между отдельными зернами, ухудшая механические свойства сварных соединений. Кроме окисления железа при микроплаз­менной сварке сталей в условиях неудовлетворительной защиты зоны плавления возможно также окисление углерода, кремния и марганца. Указанные процессы окисления приводят к тому, что содержание кислорода в металле шва может увеличиться в несколько раз по сравнению с его содержанием в основном металле, а концентрация углерода, кремния и марганца при этом резко снижается. При надежной газовой зашите и опти­мальных режимах сварки углерод и другие легирующие эле­менты в швах, выполняемых микроплазменной сваркой, сохра­няются практически на уровне их концентрации б основном металле.

Тугоплавкие окислы, образующиеся на поверхности легких металлов и сплавов, препятствуют установлению прочных ме­таллических связей между соединяемыми поверхностями, что в определенных условиях может привести к понижению проч­ности сварных соединений и нарушению их герметичности. Повышенное сродство этих металлов к кислороду и высокие температуры нагрева кромок перед сварочной ванной при нали­чии окислительной среды создают благоприятные условия для роста окисной пленки и попадания ее в шов. Для оценки воз­можности взаимодействия кислорода с поверхностью основного металла при сварке необходимо знать толщину окисного слоя, образующегося в условиях высокотемпературного нагрева.

Кинетика роста окисний пленки на алюминии при комнат­ной температуре описана в ряде работ [56—58]. В начальный момент взаимодействия ювенильной поверхности алюминия с сухим воздухом толщина окисной пленки растет наиболее

быстро и достигает 7—26 А в течение 10—15 мин [56]. В даль­нейшем наблюдается ее медленный рост, который продолжается 70—80 дней. Затем росг пленки практически прекращается и

ее предельная толщина составляет около 30 А. Хранение об­разцов в течение нескольких лет в указанных условиях не при­водит к каким-либо изменениям их поверхности, а толщина

пленки составляет по-прежнему 30 А. По другим данным [58], процессы окисления алюминия ограничиваются возникновением

окиси толщиной 50—100 А в течение недели. По этим же дан­ным, окисная пленка при температуре плавления алюминия

о

может достигать толщины 1000 А.

В отношении точного состава и структуры окисной пленки на алюминии данных недостаточно. Не разработана также ди­аграмма состояния системы АІ—О [59]. Однако твердо уста­новлено существование в этой системе соединения А120з (52,92% А1). Имеются сведения о существовании более бедных ки-слородом окислов, отвечающих по составу формулам АЮ (62,77% А1) и А120 (77,13% АІ). Наибольшей термодинамиче­ской устойчивостью в интервале сварочных температур обладает окись алюминия АЬОз (рис. 93) [60]. Принимая во внимание, что образующаяся на алюминии окисная пленка нерастворима ни в жидком, ни в твердом алюминии, и используя данные рис. 93, можно рассчитать упругость диссоциации окислов чис-

того алюминия для различных температур. Результаты расче­тов показывают, что в диапазоне сварочных температур будет образовываться преимущественно окись алюминия AI2O3.

Нетрудно оценить, при какой температуре произойдет дис­социация окиси А12Оз в вакууме 10~5 мм рт. ст., где парциаль­ное давление кислорода равно Ро* = 2,76*10~9 мм рт. ст. Рас­четы показывают, что в этих условиях окисление алюминия прекратится при температуре около 3000° С, а при большей температуре будет происходить разложение AI2O3 с образова­нием металлического алюминия. Для средней температуры алюминиевой сварочной ванны (900—1000° С) этот процесс воз­можен при разрежении примерно 2,4 -10"49 мм рт. ст. Таким образом, алюминий будет окисляться в любом технически до­стижимом вакууме и тем более в атмосфере технического ар­гона и гелия. Поскольку в условиях сварки в инертных газах возможны также нарушения защиты из-за неизбежно возникаю­щих турбулентных потоков, захватывающих воздух, то скорость окисления сварочной ванны и околошовной зоны может быть достаточно высокой.

Механизм влияния легирующих добавок и примесей на окис­ление алюминия исследовался мало. По практическим соображе­ниям наибольшее внимание привлекли к себе вопросы образо­вания окисных слоев на сплавах алюминия с магнием [57]. Показано, что в зависимости от температуры на поверхности алюминиевомагниевых сплавов может образоваться окись алю­миния AI2O3, окись магния MgO или магнезиальная шпинель Al203-Mg0 (рис. 94). Количественные данные о температурном

росте толщины окисной пленки для промышленного сплава АМгб и для технического алюминия А5 получены методом тер - момассометрии [61]. Предполагали, что вещество пленки огра­ничено двумя плоскопараллельными плоскостями, а расстояние между ними по нормали является толщиной окисной пленки. Толщину поверхностного слоя рассчитывали с помощью соот­ношения

Ъ = АРМах/Мх?, (IV Л)

где Мал и р—соответственно молекулярный вес и плотность поверхностниго соединения; Мх — вес отрицательного компонен­та, приходящиисл на молекулу поверхностного слоя; ДР — при­вес, г.

Электронно-графическое исследование окисных пленок, обра­зующихся на поверхности алюминия А5 и сплава АМгб при их нагреве в атмосфере сухого воздуха в диапазоне температур 400—700°С показало, что на алюминии А5 образуется окись алюминия AI2O3, а на сплаве АМгб—преимущественно окись магния MgO. В связи с этим в расчетах толщин поверхностных слоев для алюминия А5 принимали Ма9о9х 102, pAieo,= 3,97 г/см3,

М (О )з = 48, а для сплава АМгб — М40; рм^о= 3,58 г/см3; М( 0-) = 16.

Привес образцов в зависимости от температуры и времени нагрева фиксировали на термомассометрической автоматиче­ской установке, состоящей из регистрирующих электронных весов, электрической нагревательной печи и пульта управления с самопишущими потенциометрами. В установке применены аналитические весы, работающие по нулевому методу с помощью электронной следящей системы. Электрическая нагревательная печь представляла собой керамическую трубу, на которую бифи - лярно намотана спираль из платиновой проволоки. Цена деле*

ния шкалы потенциометра 1 мг на 1 деление. Суммарная по­грешность определения температуры не более ±2%.

Предварительно вакуумированные и тщательно обработан’ ные цилиндрические образцы диаметром 15 мм, высотой 15 мм из алюминия А5 и сплава АМгб устанавливали в фарфоровый тигель и нагревали в воздушной атмосфере печи при темпера - турах 400, 500, 600, 700° С и выдержках до 5 ч. Изменение массы образцов и температуры опытов регистрировали на самопишу­щих автоматических потенциометрах непрерывно в ходе реакции окисления.

Высокотемпературное окисление в околошовной зоне в про­цессе микроплазменной сварки изучали на металле толщиной 1—2 мм. Термические циклы в поперечном сечении образцов записывали осциллографом H-70U. Для различно удаленных от оси шва точек методом интегрирования термических циклов рассчитывапи величину эквивалентного времени нагрева, в те­чение которого скорость окисления постоянна. По полученным методом термомаесометрии параметрам процесса окисления и эквивалентному времени нагрева различных точек металла око­лошовной зоны рассчитывали толщины окисных слоев, которые могут образоваться в процессе сварки. Экспериментальную про­верку толщин окисных слоев в околошовной зоне выполняли электрохимическим методом [62] путем определения момента полного растворения окислов по максимальному значению ЭДС электрохимической системы. Структуру и содержание окисных включений, образующихся в металле сварных швов алюминия А5 и сплава АМгб, изучали электрохимическим методом анод­ного растворения образцов, изготовленных из швов [63J. В ка­честве электролита служил раствор следующего состава:

3% FeS04 + 2,5% NaCl + 5% H2SD4 + 0,5% С6Н807. Плот­

ность тока 0,05 А/см2, длительность электролиза 30—40 мин, катод платиновый или из нержавеющей стали. Перед электроли­зом образцы травили в 30%-ном водном растворе едкого натра для снятия поверхностных окислов и тщательно промывали водой. После электролиза и декантации анодный осадок про­мывали дистиллированной водой, подвергали персульфатной обработке и взвешивали.

Для обоих сплавов кривая зависимости роста толщины поверхностного слоя от времени окисления при 300—600° С имеет параболический характер. Зависимости b2 = f(т) выра­жаются прямыми. В полулогарифмических координатах In о—у

зависимости Ъ — f(T) приобретают вид прямых с изломом в области 360—380° С, т. е. до 360° С скорость окисления отно­сительно низка, а после 360—380° С она значительно выше.

Если исходить из предпосылки, что рост окисных слоев происходит благодаря диффузии кислорода через продукты окисления, то приближенно толщину окисного слоя можно вы­разить через константу К (пропорциональную коэффициенту диффузии) и время окисления т (Ь2= Кт). Подставляя в формулу полученные ранее значения Ь в диапазоне температур 400—700° С, определяли значения константы К (рис. 95).

Пользуясь термическими циклами и значениями К, рассчи­тывали толщины окисных слоев в околошоьной зоне при микро - плазменной и аргоподуговой сварке алюминия А5 и сплава АМгб (рис. 96). Полученные расчетные и экспериментальные данные показывают, что при наличии кислорода в зоне защиты толщина окисной пленки в околошовной зоне может вырасти так, что превысит в сотни раз толщину первоначального слоя окиси. При одной и той же толщине образцов окислая пленка на сплаве АМгб всегда толще, чем на алюминии А5. В усло­виях микроплазменной сварки ширина и толщина окисных слоев меньше, чем при аргоиодуговой сварке.

Окисиые включения, выделенные из сварных швов, имеют форму остроугольных кристаллов размером от 10 до 100 мкм. Наряду с отдельными относительно крупными включениями, представляющими собой обрывки окисной пленки, в швах имеют­ся равномерно распределенные мельчайшие частицы. Петрогра фическим анализом установлено, что в металле сварных швов алюминиевомагниевых сплавов окислы могут быть как в виде

Рис. 95.

Зависимость константы К от температурь»

/ — алюминий А5; 2 •— сплав АМгб.

Рис* 96.

Толщина окисных слоев в околошовной зоне при микроплазменной (I) и аргонодуговой (2) сварке металла Ь = I мм:

Г — алюминий А5; II — сплав АМгб.

б'Юісм

комплексных соединений сложного состава, так и в свободном ви­де (А1203, MgO). Содержание окисных включений в основном металле алюминия А5 составляет 0,0035%, а в сплаве АМгб — 0*0045%. В швах соединений, выполненных по оптимальным режимам микроплазменной и аргонодуговой сваркой, содержа­ние включений для алюминия А5 равно соответственно 0,0040 и 0,0055%, а для сплава АМгб — 0,0048 и 0,0063%. Следует отметить, что при сварке в контролируемой атмосфере аргона давлением 760 мм рт. ст. содержание окисных включений в швах составляет 0,0046% для алюминия А5 и 0,0052% для сплава АМгб, т. е. соответствует содержанию окисных вклю­чений в швах, выполненных микроплазменной сваркой.

Таким образом, при микроплазменной сварке с использовав нием гелия в качестве защитного газа окисление металла мень­ше, чем при аргонодуговой сварке.

Основным источником азота при микроплазменной сварке является окружающая атмосферная среда. Азог в некоторых металлах (медь, никель, серебро, золото) практически нераст­ворим, В связи с этим он, в принципе, может применяться при сварке этих металлов в качестве защитного газа или служить добавкой к инертному газу. В других металлах (железо, ти­тан) азот растворяется в тех или иных концентрациях. При переходе металла из жидкого состояния в твердое наблюдается резкое уменьшение растворимости азота [1]. Б этих условиях азот стремится ъыйти из раствора в виде газовой фазы, что можег привести к образованию пор. Если защита зоны плавле­ния нарушена, то вследствие высоких скоростей охлаждения швов, имеющих место при микроплазменной сварке, в нем остается значительное количество азота, превышающее рас­творимость в равновесных условиях. Образующиеся при этом химические соединения — нитриды Fe2N (11,5% N2) и Fe4N(5,9% N2)—снижают пластичность швов.

Источниками водорода при микроплазменной сварке явля - ются защитный газ (аргоно-водородные смеси), водород, содер­жащийся в основном и присадочном металле, а также влага, находящаяся на поверхности металла и в защитном газе. Желе­зо, медь, никель и ряд других металлов, поглощая водород в твердом и жидком состоянии, не образует с ним никаких хими­ческих соединений. К этой же группе относятся металлы, кото­рые в твердом состоянии растворяют очень малые количества водорода (алюминий, платина, молибден). Титан, палладий, ванадий и тантал образуют с водородом соответствующие гид­риды. В интервале температур 300—700° С водород поглощает­ся этими металлами очень интенсивно. При высоких темпера­турах гидриды разлагаются. Вследствие этого начинается обрат­ное выделение водорода из металла, приводящее к образованию

пор. Склонность металлов к образованию пор, вызванных водородом, зависит от соотношения растворимости Н2 в жидком и твердом металле. Растворимость водорода в жид­ком алюминии при температуре плавления равна 0,69 см3/Ю0 г, в твердом—0,036 см3/100 г, т. е. при переходе алюминия из жидкого состояния в твердое растворимость водорода падает в 19,2 раза. Для сравнения отметим, что падение растворимости водорода при переходе из жидкого состояния в твердое состав­ляет для железа 1,63: для никеля 2,14 и для меди 2,73. Этим и объясняется тот факт, что при сварке алюминия опасность образования пор больше, чем при сварке стали, никеля или меди. Использовать аргоно-водородные смеси для микроплаз - менной сварки алюминия нельзя. Растворимость водорода в алюминии, как и в железе, зависит от наличия в них легирую­щих элементов. Например, добавки магния до 7% (сплав АМгб) почти в два раза повышают растворимость водорода в алюминиевых сплавах, что вызывает еще большую чувствитель­ность швов к образованию пор.

Вредной примесью при микроплазменной сварке является водяной пар. Источниками водяного пара могут быть влага, содержащаяся в защитном или плазмообразующем газе, влага, попадающая в зону сварки из окружающей атмосферы, и, на­конец, влага, находящаяся на поверхности основного и приса­дочного металла. При высоких сварочных температурах водя­ной пар диссоциирует на водород и кислород. При температурах до 4500° С из водяного пара образуются молекулярный водо­род и кислород. При температуре свыше 4500° С более веро­ятно образование атомарного водорода и кислорода, а также гидроокиси ОН. Помимо окисления свариваемого металла дис­социация водяного пара может привести к наводороживанию металла шва и к образованию в них пор. Поэтому содержание влаги в защитных и плазмообразующих газах должно быть строго ограничено, а с поверхности основного металла и при­садочной проволоки необходимо тщательно удалять имеющиеся загрязнения.

Составы аргона различных марок, которые используют для микроплазменной сварки, согласно ГОСТ 10157—73, приведены в табл. 13. Для сварки активных и тугоплавких металлов, а также высокоответствеиных конструкций из других металлов используют аргон марок А и Б. Для малоответственных конст­рукций можно использовать аргон марки В чистотой 99,9%.

Условиями МРТУ-51-77-66 предусмотрено применение гелия высокой чистоты и технического гелия (табл. 14)* Для микро­плазменной сварки применяют и тот, и другой гелий.

Сравнивая эффективность использования аргона и гелия в качестве защитных газов при микроплазменной сварке, еле-

дует учитывать их физические свойства. Одним из факторов, ьлняющих на качество зашиты, является плотность і азов. Гелий легче аргона, поэтому для предупреждения нарушения защиты его расход в одинаковых условиях должен быть больше рас­хода аргона. Гелий как защитьый газ при микроплазменной сварке используют для алюминия и алюминиевых сплавов, туго­плавких и активных металлов, а также для некоторых благо­родных металлов.

Уменьшение стоимости защитного газа достигается примене­нием аргоно-гелиевых смесей. При микроплазменной сварке легких металлов и сплавов в смеси 50% Не + 50% Аг получают высококачественные швы, не уступающие швам, выполненным в гелии. Аргоно-гелиевые смеси требуемого состава получают с помощью смесителей, обеспечивающих смешивание газов, по­ступающих из двух баллонов.

Наибольшее применение при микроплазменной сварке угле­родистых и легированных сталей получили аргоно-водородные смеси с содержанием 0,5—15% водорода. При добавлении в аргон водорода обеспечивается необходимое сжатие плазмы и повышается ее тепловая мощность. Кроме того, водород создает в зоне дуги восстановительную атмосферу, способствующую в ряде случаев получению более качественных швов. Оптималь - ное процентное содержание водорода зависит от физико-хими - ческих свойств свариваемого металла, его толщины и других факторов.

Для повышения качества швов в некоторых случаях (на­пример, при сварке химически активных металлов) необходимы защита обратной стороны шва и дополнительная защита верх­ней поверхности соединения. Это достигается применением спе­циальных камер, колпаков, насадок и других устройств, в кото­рых подается защитный газ. Сварку молибдена, вольфрама и бериллия предпочтительнее выполнять в контролируемой ат­мосфере инертного газа. Наиболее надежная защита металла шва и околошовной зоны обеспечивается при микроплазменной сварке в вакууме.