МИКРО ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА

СВАРКА ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ

Микроплазменная сварка асимметричным переменным током и разнополярными прямоугольными импульсами нашла приме­нение при изготовлении изделий из алюминия и алюминиевых сплавов толщиной 0,2—2,0 мм [54]. В лабораторных условиях получены положительные результаты по использованию ^тих процессов для выполнения прочноплотных соединений алюми­ниевых и бериллиевых бронз, а также сплавов на основе магния и бериллия.

Основные особенности, которые следует учитывать при раз­работке технологии и техники микроплазменной сварки легких металлов и сплавов, заключаются в следующем. Вследствие по­вышенного сродства к кислороду поверхность данных металлов в исходном состоянии всегда покрыта слоем тугоплавких окис­лов, отрицательно влияющих на процесс сварки и качество соединений. Попадание гидратированных окислов в сварочную ванну является основной причиной образования дефектов типа окисных включений и пор. Поэтому непосредственно перед сваркой соединяемые кромки необходимо подвергать тщатель­ной счистке от поверхностных окислов, а время от момента очистки до сварки должно быть минимальным. Как было пока­зано в параграфе 2 данной главы, в условиях высокотемпера­турного нагрева происходит дополнительное окисление поверх­ности свариваемого металла. Непременным условием для полу­чения качественных соединений является предупреждение чрез­мерного окисления металла в процессе сварки путем создания надежной газивой защиты околошовной зоны и сварочной ванны. Амплитуда и длительность импульсов тока обратной полярно­сти должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить разрушение окислов, образовавшихся за время от момента обработки поверхности металла до сварки и в процессе сварки.

В зависимости от конструкции свариваемых деталей и тех­нических требований, предъявляемых к изделиям, применимы несколько способов предварительной очистки поверхности алю­миния и его сплавов перед микроплазменной сваркой: химиче­ское травление в растворе щелочи с последующим осветлением в растворе азотной кислоты, химическое полирование, электро­химическое полирование и механическая обработка. Первый способ не обеспечивает стабильного качества сварных соеди­нений, особенно в тех случаях, когда по условиям производства выдержка металла от момепта обработки до сварки превышает несколько суток. Лучшие результаты дает химическое и элек­трохимическое полирование. Механическая зачистка поверхно­сти свариваемых кромок весьма трудоемка, а во многих случаях для металлов малых толщин практически не применима.

Технология химического полирования заключается в обез­жиривании металла в водном растворе едкого натра в присут­ствии ингибиторов коррозии при 60—66° С и последующем хими­ческом полировании в водном растворе смеси ортофосфорной и азотной кислот с добавками веществ, гидрофобизирующих об­рабатываемую поверхность [74, 75]. Роль ингибиторов в дан­ном случае сводится к уменьшению скорости растворения алю­миния [76]. Удалению окисной пленки они не препятствуют. В присутствии ингибиторов коррозии имеют место минимальное растравливание основного металла (не более 30—50 мкм) и меньшая шероховатость обработанной поверхности. Последняя при химическом полироьании алюминия на три класса ниже, чем при обычном химическом травлении. Процесс химического полирования применим для обработки свариваемых деталей малых толщин и сложной конфигурации. Поверхность алюми­ния и алюминиевых сплавов после химического и электрохими­ческого полирования обладает высокой коррозионной стойко­стью в нормальных атмосферных условиях и не теряет блеска в течение длительного времени, что связано с наличием тон­чайшей плотной защитной пленки. Содержание водорода в про­цессе длительного хранения металла с такой поверхностью изменяется мало. При годичной выдержке образцов алюминия с химически полированной поверхностью водорода значительно меньше, чем на металле, обработанном химическим травлением и выдержанном на воздухе не более 8 ч. Для химического поли­рования малогабаритных изделий из алюминия и алюминиевых сплавов в ИЭС им. Е. О. Патона АН УССР разработана уста­новка ОБ-1419, обеспечивающая механизированную обработку изделий по всем технологическим операциям (расконсервация, обезжиривание, полирование, промывка и сушка).

Для уменьшения количества окислов, попадающих в шов при сварке с присадочной проволокой, важное значение имеет качество предварительной подготовки поверхности сварочной проволоки. Поскольку поверхность расплавляемой проволоки при сварке металлов малых толщин соизмерима с поверхно­стью расплавляемых кромок, а разрушение окислов микроплаз­менной дугой происходит не по всей поверхности, а только со стороны дуги, в ванну в случае использования неочищенной проволоки попадает значительная часть окислов и других за­грязнений. Поэтому присадочную проволоку необходимо при­

менять с чистой поверхностью. Наилучшие результаты обес­печивает электрохимическое и химическое полирование. По ГОСТ 7871—75 сварочная проволока из алюминия и алюми­ниевых сплавов должна поставляться с чистой поверхностью в герметизированной упаковке. Дополнительная химическая обра­ботка присадочной проволоки перед сваркой в таком случае не требуется.

Определенные затруднения при микроплазменной сьарке алюминия вызывают его специфические теплофизические свой­ства. Алюминий имеет весьма высокие значения скрытой тепло­ты плавления, теплоемкости и теплопроводности. Значение скрытой теплоты плавления у алюмипил выше, чем у нержа­веющей стали и меди соответственно в 4 и 2 раза. Поэтому, несмотря на низкую температуру плавления алюминия, для его сварки требуется большая мощность дуги, чем для сварки угле­родистых и легированных сталей. С другой стороны, при сварке на завышенных режимах тонколистового алюминия околошов - ная зона шириной 5—8 мм, имеющая температуру нагрева свы­ше 400° С, практически полностью теряет свою прочность и под действием собственной массы сильно деформируется, а в неко­торых случаях проваливается вниз. В связи с этим сварку алю­миния и алюминиевых сплавов предпочтительнее производить с использованием технологических подкладок при минимальной погонной энергии. Более стабильное формирование швов на весу (без технологических подкладок) обеспечивает процесс сварки разнополярными импульсами.

Для оптимизации параметров режимов микроплазменной сварки металла толщиной 0,2—2,0 мм и отработки техники сварки нами поставлены специальные опыты. Исследовано влия­ние соотношения токов прямой и обратной полярности

(k— — ) на проплавляющую способность дуги, ширину швов

^об

и степень очистки поверхности металла от окисной пленки. Ско­рость сварки составляла 10—50 м/ч, скорость подачи присадоч­ной проволоки — 20—100 м/ч. При определении влияния длины дуги на стабильность процесса и форму швов величину /д изме­няли от 1 до 6 мм. Для оценки влияния защитных газов на форму швов и качество соединений проводили опыты с исполь­зованием аргона и гелия, а также смесей Ar-ьНе, Аг+Нг, Аг+Ог, Ar+N2. Расход защитных газов контролировали по ротаметрам типа PC-ЗА и изменяли от 1 до 5 л/мин. Сварку выполняли на подкладках, изготовленных из меди, стали Ст. З и 1Х18Н9Т. Формирующие канавки в подкладках имели радиус­ную, прямоугольную и треугольную форму. Глубина канавок 0,1-—1,0 мм, ширина — 3—6 мм. В качестве неплавяшихся элек­тродов использовали чистый и лантанированный вольфрам диа­метром 1,0 и 1,5 мм. Сварку выполняли на алюминии марки А5, сплавах АМц и АМгб толщиной 0,2—2,0 мм. Стыковые соедине­ния сваривали с присадочной проволокой и без нее. В качестве присадки в зависимости от толщины свариваемого металла использовали проволоку диаметром 0,8—1,5 мм марки, соответ­ствующей марке основного металла. Автоматическую и ручную микроплазменную сварку осуществляли плазмотроном ОБ-1213 при їжташш дуга от источников типа А-1281К и МПУ-РИ. Пе­ред сваркой образцы и присадочную проволоку подвергли химической обработке.

Установлено, что с увеличением тока прямой полярности глубина h и ширина й проплавления непрерывно повышаются (рис. 118, а). Характерно, что при использовании гелия в каче­стве защитного газа значение hub значительно больше, чем при сварке в аргоне, а ширина зоны очистки, как правило, ь 1,5 раза меньше. При исследовании влияния коэффициента асимметрии тока на процесс разрушения поверхностных окис­лов обнаружено (рис. 118, б), что с увеличением его от 1 до3 и более при постоянном значении /пр формирование швов не ухудшается, а ширина швов и зоны очистки уменьшается. Для металлов толщиной 0,1—0,3 мм при увеличении значения k до 10 качество очистки поверхности металла от окисной пленки достаточно хорошее.

Увеличение скорости сварки при постоянной величине тока приводит к заметному уменьшению глубины и ширины проплав­ления (рис. 118, в). Изменение длины дуги от 2 до 5 мм не оказывает существенного влияния на стабильность процесса. При /д >6 мм наблюдаются обрывы дуги обратной полярности и нарушение очистки поверхности металла от окислов. Пр#и

Рис. 118.

Влияние величины тока (а), соотношения k —

^1ирНобр(б) и скорости сварки (в) на глубину и ширину проплавления, а также ширину зоны очистки В на сплаве АМгб толщиной 2,0 мм: а — к = 2; сСЕ 30 м/ч: б — >пр = 60 A; t'CB *= 30 м/ч:

ручной микроплазменной сварке для обеспечения подачи при­садочной проволоки межэлектродное расстояние должно быть б пределах 3—ч мм. Заметим, что при аргонодуговой сварке на аналогичных режимах стабильное горение дуги имеет место при < 2 мм. Опыты по использованию в качестве защитного газа смесей Не с Аг, Н2, О2 и N2 показали возможность применения для микроплазменной сварки алюминиевых сппавов смесей (40—50%)Не + (60—50%)Аг. По сравнению с чистым гелием такие смеси незначительно снижают глубину и ширину проплав­ления, практически не влияя на свойства сварных соединений. Дальнейшее повышение содержания аргона существенно сни­жает прочность соединений, уменьшает глубину нроплавлеиия и нарушает устойчивость горения дуги. Разрушение окисной пленки во всем диапазоне концентрации смесей Аг — Не удов­летворительное. Опыты по микроплазменной сварке алюминия в смеси аргона с водородом, кислородом и азотом положитель­ных результатов не дали при любой концентрации активных газов.

Испытание стойкости вольфрамовых электродов к токовым нагрузкам при к—2 показали, что чистый вольфрам диаметром 1,0 мм разрушается при /щ>=30 —S— 40 А, в то время как лантани - рованный или иттрированный вольфрам выдерживает токо­вые нагрузки до 60—70 А без разрушения.

Режимы микроплазменной сварки алюминиевых сплавов переменным током и разнополярными импульсами приведены в табл. 24 и 25. Марку присадочной проволоки выбирают в зависимости от марки свариваемого сплава согласно табл. 26,

Сварку асимметричным переменным током выполняют автома­тами и вручную. Сборку элементов тонкостенных изделий при сварке без присадочной проволоки производят в прецизионной оснастке, обеспечивающей минимальные зазоры в стыке (менее 0,05—0,10 б) и небольшие превышения кромок (менее 0,1—- 0,2 6) на всем протяжении шва. Для получения ровных кромок

при резке полос и фольги из алюминия малых толщин приме­няют гильотинные ножницы с режущими углами ножей 90°. Зазор между ножами не должен превышать 0,01 мм. Плотное прижатие металла к кромке нижнею ножа осуществляют алю­миниевыми пластинами с полированной поверхностью. Исполь­зование присадочной проволоки позволяет снизить требования к точности изготовления заготовок. Во избежание деформиро­вания поверхности свариваемых заготовок рабочие кромки при­жимных планок сборочно-сварочной оснастки должны быть с полированной поверхностью. Наилучшее формирование обрат­ной стороны швов стыковых соединений достигается при круг­лой форме поперечного сечения канавки в технологической под­кладке (радиус канавки 5—8 мм, глубина — 0,2—0,5 мм).

Механические свойства сварных соединений технического алюминия и термически неупрочньемых алюминиевых сплавов, выполняемых микроплазменной сваркой при оптимальных па­раметрах режимов и с соблюдением описанных выше требова­ний к технике сварки, равноценны свойствам основного металла в отожженном состоянии. Швы отличаются гладкой блестящей поверхностью, равномерным формированием и постоянной шири­ной по длине. Микроструктура металла шва плотная, характе­ризуется оривптироьанным дендритным строением. Дефектов типа окисных включений и пор не наблюдается.

Весьма эффективным оказалось использование микроплаз-* менной сварки для термически упрочняемых алюминиевых. сплавов различных систем легирования. Известно, что проч­ность сварных соединений такого рода материалов при аргоно­дуговой сварке обычно составляет 0,6—0,8 прочности основного металла. Коэффициент прочности соединений при микроплаз­менной сварке по сравнению с таковым при аргонодуговой сварке повышается на 10—15%, а ударная вязкость — не менее чем в 1,5—2 раза (табл. 27). При этом существенно снижаете я количество пор как в швах, так и в околошовной зоне.

Как показали исследования, микроплазменная сварка обес­печивает также более высокую точность геометрических разме­ров тонкостенных изделий. Например, в одинаковых условиях поперечные укорочения стыковых соединений сплава АМгб толщиной 2 мм при микроплазменной сварке на 30% меньше, чем при аргонодуговой (рис. 119). Увеличение скорости микро­плазменной сварки до 30 м/ч снижает поперечные укорочения в два раза.

Технология микроплазменной сварки магниевых сплавов во многом идентична технологии сварки сплавов на основе алю­миния. Однако следует иметь в виду, что в отличие от алюми­ния, на поверхности магния образуется рыхлый окисный слой, не предохраняющий металл от дальнейшего окисления. Поэто-

му полуфабрикаты из магниевых сплавов обычно покрывают хроматной защитной пленкой и густой технологической смаз­кой. Удаление технологической смазки и обезжиривание поверх­ности магниевых сплавов производят органическими раствори­телями, а затем обрабатывают их в растворе, состоящем из едкого натра (300—500 г/а), азотистокислого натрия (150— 200 г/л) и азотнокислого натрия (40—70 г/л) при 70—100° С в течение 5—6 с. После промывки в горячей и холодной воде удаление защитной оксидной пленки выполняют в водном раст­воре хромового ангидрида (150—200 г/л) при комнатной тем­пературе в течение 7—15 мин. Затем следует промывка в горя­чей и холодной ъоде, сушка при 50—60° С до полного удаления влаги. Оксидную пленку после обезжиривания можно удалять также механическим путем (шабером или щеткой из стальной проволоки диаметром 0,1 мм). Для предупреждения чрезмер­ного дальнейшего окисления поверхности длительность хране­ния магниевых сплавов от момента обработки до сварки не должна превышать 2—3 ч после механической обработки кро­мок и 3—5 суток после химической очистки.

Для формирования обратной стороны шва при сварке маг­ниевых сплавов необходимо применять технологические под­кладки из нержавеющей стали, снабженные относительно глубо­кими канавками (1,0—1,5 мм), имеющими прямоугольную или овальную форму. В процессе сварки магниевых сплавов следует поддерживать короткую дугу (2—3 мм). Поскольку теплопроводность магния ниже, чем алюминия, величину сва­рочного тока принимают соответственно меньшей. Прочность сварных соединений магниевых сплавов, выполненных микро­плазменной сваркой, составляет 0,8— 0,9 прочности основного ме­талла. При аргонодуговой сварке этот показатель не превы­шает 0,7.

Существенное повышение прочности и герметичности свар­ных соединений легких сплавов, выполненных асимметричным

Рис. 119.

Поперечные укорочения стыковых соединений сплава АМгб толщиной 2 мм, выполненных аргонодуговой (1) и микроплазменной {2} сваркой.

разиополярным током, объясняется большей концентрацией энергии источника нагрева и импульсным воздействием дуги на сварочную ванну.

Разработка процессов сварки асимметричным переменным током и разнополярншми импульсами позволила создать прин­ципиально новые изделия из тонколистовых легких металлов и сплавов» отличающиеся высокой экономичностью и эксплуа­тационной надежностью. Технологические возможности этих про­цессов применительно к изгоювлению конструкций из легких металлов и сплавов еще далеко не исчерпаны.