ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

По содержанию в земной коре алюминий является самым распрост­раненным металлом. Массовая доля его составляет около 8,8, превышая содержание железа примерно в 1,7 раза. Применение алюминия и осо­бенно его сплавов весьма распространено в современной промышленно­сти. Алюминий имеет специфические теплофизические свойства: он об­ладает высокой теплоемкостью, теплопроводностью и скрытой теплотой плавления при относительно низкой (~680 °С) температуре плавления. Он немагнитен, обладает высокой электрической проводимостью и в чи­стом виде весьма пластичен при относительно низкой прочности и ма­лой плотности (2,7 г/см!).

Эти свойства ограничивают применение чистого алюминия как конструкционного материала. В основном он используется для нужд

электротехнической промышленности (провода, шинопроводы и т. д.), иногда - пищевой и химической промышленности, где используется высокая коррозионная стойкость металла в различных средах. Как кон­струкционный материал применяются сплавы алюминия, которые можно подразделить на литейные и деформируемые.

В зависимости от системы легирования эти сплавы могут быть от­несены к сплавам, не упрочняемым термообработкой (алюминиево-мар­ганцевые сплавы типа АМц и алюминиево-магниевые сплавы АМгЗ, АМгб, АМгбІ), и термически упрочняемым сплавам нескольких групп (дюральалюмины системы Al-Cu-Mg-Mn типа Діб, Д19, ВАДІ, ВД17, М40, Д18), авиали системы (Al-Mg-Si типа АВ), а также других систем легирования (АД31, АДЗЗ, АД35, АК6, АК8).

Сварка термически неупрочняемых сплавов особых трудностей не вызывает, прочность сварного соединения составляет ~0,95 от прочно­сти основного металла. Современные сплавы системы Al-Mg 1561 и 1575 имеют предел текучести соответственно 180...200 и 300 МПа. Полуфаб­рикаты из этих сплавов поставляются в виде листов, профилей и пане­лей. Их высокая прочность при малом удельном весе сплава по сравне­нию со сталями позволяет снизить массу конструкции в 1,25-1,5 раза при хорошей коррозионной стойкости в морской воде.

Термоупрочняемые сплавы имеют прочность значительно более высокую, нежели сплавы первой группы, Конкретные значения проч­ности определяются системой легирования и типом термообработки. Так, для сплава Д20 после закалки и старения прочность о достигает 430 МПа. а у сплавов марки В93 она еще выше. Сварка металла в термо­упрочненном состоянии приводит к его разупрочнению, что понижает прочность соединения на 30...35%. Последующая термообработка в принципе может почти полностью восстановить свойства соединения, но она технически трудновыполнима для габаритных конструкций. Сплавы этой группы имеют низкую коррозионную стойкость в морс­кой воде и в судостроении не применяются.

Термически неупрочняемые сплавы марок 1561 и 1575 имеют широ­кое применение в судостроении для надстроек крупногабаритных судов, корпусов судов с динамическими принципами поддержания, корпусов малых судов различных классов. Этому в немалой степени способствует высокая коррозионная стойкость сплавов этой группы в морской воде и туманах и их хорошая технологичность.

Причиной высокой коррозионной стойкости, как уже было сказано, служит пленка окислов АІ,0(, покрывающая поверхность металла и имеющая высокий электродный потенциал. С другой стороны, эта же пленка, имеющая температуру плавления, в три раза превышающую

температуру плавления металла (~2050 °С), затрудняет его плавление при сварке и формировании металла шва.

Кислород растворяется в алюминии в ничтожно малых количе­ствах, но образует с ним устойчивый окисел А12Ог При повышении температуры до 700 °С эта пленка надежно защищает металл от даль­нейшего окисления. Благодаря высокому сродству алюминия к кис­лороду, пленка образуется на его поверхности уже при комнатной тем­пературе (аА1.20 ). После расплавления металла на его поверхности образуется более плотная окисная пленка другой модификации (yAlaO j), С ростом температуры толщина пленки а А1.203 увеличивает­ся при одновременном уменьшении ее плотности; пленка становится рыхлой, и ее защитная способность уменьшается. Оставаясь неразру­шенной на поверхности расплавленного металла, пленка препятству­ет его сплавлению, ухудшая формирование шва и засоряя металл шва окислами. При увеличении температуры во времени наблюдается рост толщины пленки. Так, при комнатной температуре толщина пленки составляет 0,001,..0,0005 мкм, а с нагревом до температуры плавления она увеличивается до 0,2 мкм.

Рост толщины пленки наблюдается и при комнатной температуре во времени. За три месяца хранения на открытом воздухе толщина плен­ки достигает 7-10 3 мкм, увеличение срока хранения приводит к даль­нейшему росту толщины пленки.

Пленка аА120., плотно сцеплена с поверхностью металла. Удаление ее сопряжено со значительными трудностями (особенно если учесть, что ее рост начинается сразу после зачистки). Поэтому наличие пленки является одним из серьезных затруднений при сварке алюминия и его сплавов. Удаление ее во время процесса сварки может производиться двумя путями.

Первый - металлургический. Восстановление алюминия из окислов практически невозможно из-за их химической прочности; не удается также связать А1,20., в какое-либо прочное соединение. Поэтому действие флюсов для сварки алюминия основано на процессах растворения и смывания диспергированной окисной пленки расплавленным флюсом. Основу таких флюсов составляют смеси хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов с добавкой фтористых соединений. Эти же соединения входят в состав обмазки покрытых электродов.

Вторым путем является процесс так называемого катодного распыления. Он особенно характерен при сварке в инертных газах вольфрамовыми электродами. Этот процесс имеет место при сварке на постоянном токе обратной полярности, а на переменном токе - в те полупериоды, когда изделие является катодом. Сущность процесса заключается в том, что, разогнавшись до больших скоростей в прика- тодной зоне дуги, положительно заряженные ионы из столба дуги уда­ряются о поверхность катода (зеркало ванны жидкого металла, покры­тое пленкой), разрушая пленку. Дроблению этой пленки, по всей вероятности, способствуют и электроны, имитируемые катодом иод действием электрического поля дуги. При сварке катодной очистке подвергается и полоска основного металла в районе шва, включая за­зор между свариваемыми кромками. Размеры зоны катодной очистки зависят от силы тока и скорости сварки, и в общем случае по площади зона очистки больше площади ванны (особенно интенсивно этот про­цесс идет у пары W-A1). Кроме того, технология обязательно должна предусматривать предварительную (перед сваркой) зачистку кромок от окисной пленки либо путем травления (для мелких деталей), либо механической зачисткой проволочными щетками непосредственно перед сваркой,

Окисная пленка обладает еще одной особенностью, влияющей на свариваемость алюминия. Она способна адсорбировать газы (в основ­ном водяные пары, удерживаемые в ней вплоть до температуры плав­ления металла). Диссоциируя в дуге на кислород и водород, молекула воды приводит к насыщению жидкого металла водородом (рис. 9.4).

При охлаждении металла в момент кристаллизации растворимость водорода скачкообразно снижается, и водород стремится выделиться из металла. Образуются пузырьки газа, всплывающие в кристаллизую­щемся металле шва; те из них, которые не успевают всплыть до полного затвердевания металла, образуют пористость. Пузырек газа, возникший в расплавленном металле, может существовать лишь тогда, когда дав­ление внутри него равно давлению окружающей среды или больше этого давления.

Существует определенное соотношение между концентрацией ра­створенного в металле атомного водорода и давлением молекулярного водорода в пузырьке. Можно считать, что зарождение газовых пузырь­ков при небольшом пересыщении металла водородом носит гетероген­ный характер, т. е. происходит на частичках различных взвесей, не сма­чиваемых расплавом. Такие частички всегда присутствуют в металле сварочной ванны.

По результатам некоторых работ, следует считать, что превышение величины [Н] 0,7 cmj/100 г уже приводит к образованию газовых пу­зырьков. Поэтому необходимо применять технологические меры, умень­шающие количество растворенного в жидком металле водорода. Вели­ко также влияние состояния поверхности основного металла и сварочной проволоки на количество водорода в металле сварочной ван­ны и пористость металла шва. Основной вклад в этот процесс вносит поверхность сварочной проволоки, поэтому способ ее подготовки име­ет большое значение.

Сварочная проволока подлежит либо травлению в растворе кис­лот, либо так называемому электрополированию. Последний способ дает наиболее ровную поверхность, что препятствует сорбции влаги на поверхности проволоки, уменьшению содержания водорода в ме­талле шва и, как следствие, уменьшению пористости при сварке. После электрополирования тонкая проволока для полуавтоматической свар­ки должна сразу быть намотана в стандартные кассеты рядовым спосо­бом; кассеты после намотки герметизируются во избежание нараста­ния окислов алюминия на поверхность проволоки из газов открытой атмосферы.

При сварке алюминиевых сплавов в сварных соединениях могут воз­никать как горячие, так и холодные трещины. Особо чистый алюминий (АВ000-АВ00) не склонен к образованию горячих трещин. Однако по мере увеличения содержания кремния в металле стойкость металла к образова­нию горячих трещин начинает уменьшаться. На эту характеристику ока­зывает влияние и содержание железа в сплаве.

Так, при содержании в металле Si не более 0,35% и при поддержа­нии соотношения Fe:Si > 0,5 горячие трещины не образуются. Чувстви­тельность сплавов к образованию горячих трещин при сварке зависит не только от содержания примесей, но и от системы легирования спла­ва. Так, при сварке тонких листов из сплава Al-Мп образование горя­

чих трещин не наблюдается; с увеличением свариваемой толщины их1 образование начинает. зависеть от соотношения Fe:Si. Сплавы систе­мы легирования Al-Mg мало склонны к образованию горячих трещин. Этому способствуют малые добавки титана, обладающего модифици­рующим действием. Сплавы системы Al-Si (при содержании Si в диа­пазоне 4... 12%) значительно снижают температуру срастания первич­ных дендритов при кристаллизации шва, что уменьшает возможность возникновения горячих трещин. Термически упрочняемые сплавы си­стемы Al-Mg-Si (марки АВ, АК6, АК8) обладают повышенной склон­ностью к образованию горячих трещин. Это объясняется наличием лег­коплавкой эвтектики Al-Mg-Mg2Si и двойных эвтектик Fe-Mg2Si и Al-Si, расширяющих температурный интервал твердожидкого состо­яния. Здесь целесообразно применять присадки с содержанием крем­ния 4...6%. Этой же цели служит легирование присадки и усложнение ее химического состав. Однако при этом увеличивается линейная усад­ка металла сварного шва, что наряду с расширением температурного интервала твердожидкого состояния способствует образованию тре­щин.

Весьма склонны к образованию горячих трещин в металле шва спла­вы систем Al-Cu-Mg-Mn и Al-Cu-Mg-Mn-Si. Повысить стойкость свар­ных соединений из этих сплавов помогают снижение содержания же­леза; добавки в сплав титана; применение присадок, увеличивающих, с одной стороны, количество легкоплавких эвтектик в металле шва (типа СвАК5), а с другой- содержание никеля, который связывает медь в ин - терметаллид, что сужает температурный интервал твердожидкого состояния.

В термически упрочняемых сплавах под влиянием термического цикла сварки происходят структурные превращения, что ухудшает проч­ностные и пластические характеристики металла и способствует появ­лению холодных трещин. При сварке отожженного сплава рядом с ли­нией сплавления из-за высоких скоростей охлаждения металл фиксируется в неравновесном состоянии, что приводит к его последу­ющему старению и упрочнению.

С целью уменьшения размеров опасных зон (Г= 550...600 °С) необхо­димо применять высококонцентрированные источники теплоты или вво­дить искусственное охлаждение свариваемого металла. Весьма перспек­тивен, с точки зрения свариваемости, сплав системы Al-Zn-Mg. Сплавы этой группы склонны к самозакаливанию и упрочнению при последую­щем старении. Их свойства в литом состоянии достаточно высоки, крис­таллизационные трещины отсутствуют.

Технология сварки различными способами

Ручная сварка покрытыми электродами применяется в основном для малонагруженных конструкций из чистого алюминия и его термически неупрочняемых сплавов (АМц и АМг).

Электродное покрытие состоит из галогенидов (хлористых и фто­ристых солей, щелочных и щелочноземельных металлов) и криолита (марки ЭА-1, ОЗА'2, ВАМИ, МАТИ-1). Свариваемые толщины

6,0. ..20,0 мм (без разделки кромок). Для сварки металла толщиной бо­лее 20,0 мм выполняется разделка кромок (угол раскрытия 70...900, при­тупление 3,0...5,0 мм, зазор 1,5...2,0 мм).

Сварка производится на постоянном токе обратной полярности. Для металла средних толщин она ведется с подогревом от 250 до 400 °С (в зависимости от толщины). Устойчивый процесс обеспечивается, если принимать силу тока не более 60 А на 1 мм диаметра электрода. Ввиду большой гигроскопичности покрытия прокалка электродов перед свар­кой обязательна. После сварки рекомендуется тщательная зачистка выполненного шва от шлака и окислов. Механические свойства шва считаются удовлетворительными.

Автоматическая сварка с применением флюса может быть двух ви­дов: сварка по флюсу и сварка под флюсом.

При сварке по флюсу хорошее формирование шва достигается при строго ограниченной толщине флюсового слоя (сварка полуоткры­той дугой). Сварка производится на постоянном токе обратной поляр­ности одной или двумя дугами (расщепленным электродом), как пра­вило, на стальной удаляемой подкладке. Разделка кромок при свариваемых толщинах до 20 мм не производится.

Присваркепод флюсом (или закрытой дугой) возможно еще боль­шее повышение силы тока и увеличение глубины проплавлення с обес­печением удовлетворительного формирования и качества металла шва.

И в том и в другом случае флюсы состоят из галогенидов и криоли­та. Такие флюсы практически не взаимодействуют с жидким металлом, удаляют окись алюминия и надежно защищают сварочную ванну от окисления. Прикалка флюса перед употреблением считается обязатель­ной.

Однако самыми распространенными в современной промышленно­сти способами сварки алюминиевых сплавов являются способы сварки в инертных газах. Сварка может выполняться как неплавящимся, так и плавящимся электродом. В качестве инертного газа применяют аргон первого сорта, гелий высокой чистоты или аргонно-гелиевую смесь.

Сварка неплавящимся электродом целесообразна для конст­рукций с толщиной элементов до 12,0 мм. Толщины до 3,0 мм сварива­ют без разделки кромок на стальной подкладке односторонней сваркой, при толщинах до 6,0 мм - двухсторонней, при дальнейшем увеличении толщины применяют V - или Х-образную разделку кромок.

Сварка ведется с подачей присадки в сварочную ванну (см. рис. 2.22), а зона сварки защищается потоком газа, истекающим из сопла горелки (так называемая «струйная» защита). При этом способе надежность га­зовой защиты зависит от формы и диаметра сопла горелки, а также от расстояния от среза сопла до свариваемого изделия, скорости попереч­ных сносящих потоков воздуха и т. д. Расход инертного газа подбирает­ся экспериментально в зависимости от выбранных параметров режима сварки. Слишком большой расход газа может привести к его турбулен­тному истечению и нарушению газовой защиты за счет подсоса воздуха в реакционную зону.

Сварка может производиться как на постоянном, так и на перемен­ном токе. На постоянном токе процесс возможен при катоде на изделии (обратная полярность). Однако в этом случае вольфрамовый электрод перегревается из-за большого количества теплоты, выделяемого в нем, что повышает расход электрода из-за возможного оплавления его кон­ца. Поэтому рационально питание дуги осуществлять переменным то­ком. Здесь в полупериоды, когда вольфрам является катодом, происхо­дит его охлаждение, а когда изделие является катодом, идет разрушение п удаление окисной пленки (катодное распыление).

Однако на переменном токе условия горения дуги в различных по - лупериодах отличаются друг от друга. В полупериод, когда вольфрам является катодом, возникает мощный процесс термоэмиссии, увеличи­вается проводимость дугового промежутка, что приводит к увеличению тока и снижению напряжения на дуге. Когда катодом становится изде­лие, то снижается проводимость дугового промежутка, возрастает на­пряжение дуги и уменьшается ток. Поэтому синусоида тока дуги ока­зывается несимметричной (рис. 9.5), что приводит к появлению в цепи постоянной составляющей. Ее образование связано с различием тепло­физических свойств электрода и изделия, что приводит к тому, что на­пряжение, необходимое для горения дуги в одном полупериоде, значи­тельно отличается от напряжения горения в другом полупериоде. Наличие такой постоянной составляющей за счет вентильного эффек­та дуги W-A1 считается нежелательным из-за ухудшения формирова­ния сварного шва, и поэтому применяются меры к ее уничтожению или уменьшению.

Считается перспективным применение сварки на асимметричном переменном токе. В этом случае токи прямой и обратной полярности различаются (применяются специальные источники тока типа ОАРС).

Здесь в период обратной полярности идет катодная очистка, а в период прямой полярности действует импульс с увеличенной амплитудой, что приводит к увеличению проплавляющей способности дуги. Регулируя режим, можно уменьшить тепловое воздействие дуги на металл, что особенно важно при сварке термоупрочняемых сплавов, где желатель­но сузить ширину зоны разупрочнения. Сварка неплавящимся элект­родом характеризуется высокой устойчивостью горения дуги.

Применение импульсной дуги расширяет возможности применения способа (толщины от 0,2 мм и выше). При этом деформация (особенно при сварке малых толщин) снижается на 40...60%. Сварка больших тол­щин этим способом нецелесообразна из-за большого количества про­ходов и значительного снижения производительности.

Находят применение полуавтоматическая и автоматическая сварка. Параметры режима этих процессов: диаметр вольфрамового электрода di [мм]; диаметр присадочной электродной проволоки dn и [мм]; сила тока /со [А]; напряжение на дуге U{ [В]; скорость сварки vn [м/ч]; расход за­щитного газа <2 [л/мин]. Иногда указывается скорость подачи элект­родной присадочной проволоки vu п [м/мин]. В качестве вольфрамово­го электрода лучше применять итрированный вольфрам марки ВИ. Сила тока выбирается в зависимости от диаметра вольфрамового электрода: /, = (60.,.70)йС Выбор конструктивных элементов разделки осуществ­ляется в соответствии с ГОСТ 239 49-80. Непосредственно перед свар­кой кромки разделки и прилегающие к ним поверхности должны быть тщательно обработаны стальной щеткой (проволока из нержавеющей стали диаметром 0.2 мм во избежание появления глубоких царапин на обрабатываемых поверхностях).

Сварку металла больших толщин целесообрал. зно выполнять погру­женной дугой, так как при этом можно значительн но увеличить глубину проплавления. Так, при двухсторонней сварке без. разделки кромок тол­щина свариваемого металла может быть доведеная до 75 мм. Этот про­цесс ведется в гелии на постоянном токе 1500 А, двщаметр вольфрамово­го электрода 15,0 мм, угол заточки его конца 90°. /тциаметр притупления

6. мм.

Способ плавящим с я электродом целесообразен для элементов конструкций, начиная с толщин 4,0 мм. Ток постгтоянный, полярность обратная, источник тока должен иметь жесткую винешнюю характерис­тику - только в этом случае достигается надежное г разрушение окисной пленки на поверхности металла. Подвиды: сварка плолуавтоматическая и автоматическая,- ручная сварка в ее классическом и понимании здесь от­сутствует. Способы эти обеспечивают хорошее пегремешивание метал­ла сварочной ванны, что способствует ее очшценикю от окислов и увели­чивает производительность.

Показатели механических свойств металла шв;ва (по сравнению со сваркой неплавящимся электродом) здесь несколлько снижаются, что может объясняться перегревом капель металла в д дуговом промежутке и повышенной пористостью металла шва.

Для полуавтоматической сварки применяется пцроволока малых диа­метров (1.2...2,0 мм), при автоматической сварке -111.2...4,0 мм. Наиболь­шее распространение получила полуавтоматическашя сварка как процесс бол ее универсальный. Для качественного формиров®ания шва необходим правильный выбор параметров режима сварки. Не зкоторое представле­ние об этом дает график (рис. 9.6). Характер перено-оса металла в дуге за­висит от правильного соотношения таких параметрров как сила тока и напряжение на дуге. Так, при достижении некоего в критического значе­ния силы тока (своего для каждого диаметра электродной проволоки) перенос приобретает мелкокапельный, так назывзаемый «струйный» характер, что дает стабильное горение дуги и мишнимум разбрызгива­ния расплавляемой проволоки (1 ...2%). Конструктиивные элементы раз­личных типов сварных соединений предусмотрены:.! ГОСТ 14896-69.

Разделка кромок применяется, начиная с толщмин 10,0 мм, при этом часто рекомендуется выполнение соединения на удаэтляемой медной (или стальной) подкладке. Сварка ведется в чистом аргсгоне или гелии (или их смесях). Режим сварки для наиболее рас 11 ростран не н н ых сварных со­единений приведен в табл. 9.2. Параметры, обеепечн ивающие надежную защиту при нужной чистоте газа, очень важны. Так, , расход газа должен быть оптимален. Малый расход уменьшает устойчидтвость горения дуги, увеличивает интенсивность окисления и разбрызюгивания, ухудшает

формирование шва и ведет к появлению на его поверхности черного налета. Большое значение имеют расстояния от среза газового сопла до изделия и от токоведущего мундштука до среза сопла (рис. 9.7). При их увеличении ослабляется газовая защита (при постоянном расходе газа через сопло) и перегревается электродная проволока, а при уменьше­нии появляется опасность быстрого засорения сопла брызгами метал­ла и подплавления торца токоведущего мундштука.

Значительное увеличение производительности процесса достигает­ся при использовании импульсно-дуговой сварки. Здесь ощутимо уменьшается нижний предел сварочного тока, благодаря этому расши­ряются диапазоны рабочих токов с направленным «капельным* пере­носом металла. Также улучшается стабильность процесса горения дуги и качество формирования шва (возможна сварка в различных простран­ственных положениях), уменьшается пористость металла шва и снижа­ются деформации при сварке тонколистовых конструкций.

Существенное значение для прочности сварных соединений и их со­противляемости образованию горячих трещин имеет выбор состава электродной проволоки. В этом смысле полезно введение в ее состав модификаторов (цирконий, гитан, бор).

Последнее время находит применение плазменная сварка. Она мо­жет выполняться сжатой дугой переменного гока или дугой постоян­ного тока при его обратной полярности. По сравнению с обычной свар­кой неплавящимся электродом этот способ позволяет повысить производительность на 50.„70%, снизить в 4-6 раз расход аргона и улучшить качество сварных соединений. Эффективный КПД нагрева г|и на переменном токе повышается на 65.„70% по сравнению с обыч­ной сваркой неплавящимся электродом. Минимальная погонная энер­гия здесь имеет место при сварке на постоянном токе при обратной полярности, что делает этот способ привлекательным при сварке на- гартованных и термоупрочняемых сплавов, При сварке сжатой про­никающей дугой она через кратер проникает на всю толщину свари­ваемого металла, что способствует эффективной катодной очистке поверхностей.

Существует процесс так называемой микроплазменной сварки, ко­торая выполняется на токах 10... 100 А и предназначена для сварки конструкций из сплавов толщин 0,2.„1,5 мм. Сварка выполняется на переменном токе с использованием специализированных источников, Способ характерен малыми деформациями свариваемых тонкостен­ных элементов.