СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Исследование электропроводности металла шва
При использовании алюминия как проводникового материала возникла проблема надежности контакта ввиду значительной ползучести и текучести алюминия, а также повышенной склонности к образованию на его поверхности токонепроводящих оксидных пленок. При контакте тяжелой алюминиевой ошиновки электролизных ванн значительные трудности представлял процесс зачистки места контакта для выполнения болтового соединения так, чтобы падение напряжения было не более 10 мВ [98]. Наиболее рациональным решением этой задачи является замена болтовых соединений на сварные, что приводит к значительному уменьшению потерь электроэнергии из-за снижения контактного сопротивления, повышению надежности алюминиевой ошиновки и удешевлению ее эксплуатации.
Мощность современных алюминиевых электролизеров постоянно возрастает, что приводит к увеличению сечения токоведущих шин. Например, при строительстве Братского алюминиевого завода на Ангаре токоподвод к электролизным ваннам осуществляется алюминиевыми шинами сечением 430х60и 515x70 мм. Сварка алюминия такой толщины является довольно сложной технологической задачей ввиду большой теплопроводности и теплоемкости алюминия, его высокой активности и сложности удаления оксидной пленки. Поэтому в настоящее время преимущественно применяется ручная электродуговая сварка алюминиевых шин угольным электродом на прямой полярности с использованием флюса ВАМИ 42. Многочисленные попытки внедрить механизированные процессы сварки алюминиевых шин сечением 430x60 и 515x70 мм не увенчались успехом ввиду сложности настройки аппаратуры и малой длины шва. Определенный интерес представляют полуавтоматическая сварка алюминиевых шин в среде аргона и разработанный в ПГТУ процесс автоматической сварки шин под флюсом закрытой дугой.
Для определения электропроводности металла шва производилась ручная сварка встык алюминиевых шин сечением 430x60 мм угольным электродом, полуавтоматическая плавящимся электродом в аргоне и автоматическая - под флюсом закрытой дугой на режимах, обеспечивающих получение качественных сварных соединений. Для сравнения производилась автоматическая сварка по флюсу АН-А1 пластин толщиной 32 мм, прокатанных из шин сечением 430х 60 мм.
Для измерения электропроводности металла шва из сваренных шин вырезались по 3-4 поперечных шлифа, поверхность которых полировалась с обеих сторон. При определении электропроводности металла шва использовался электроиндукционный испытатель электропроводности типа ИЭ-1, позволяющий определить удельную проводимость немагнитных металлов в пределах от 15 до 58 м/Ом • мм2
Замер удельной проводимости металла шва осуществлялся датчиком диаметром 10 мм по трем рядам поперечного сечения шва. В каждом ряду производилось по 3-5 измерений. Для сравнения определялась электропроводность свариваемого металла.
Согласно полученным результатам, удельная проводимость металла шва, равноценная свариваемому металлу, обеспечивается только при автоматической сварке под флюсом ЖА-64А закрытой дугой. Остальные исследуемые способы сварки алюминиевых швов создают более низкую удельную проводимость металла шва.
Снижение электропроводности алюминия может произойти с увеличением концентрации примесей, повышением содержания оксида алюминия в металле и его пористости [11, 116, 117]. Поэтому производилось определение химсостава металла шва, его плотности и концентрации оксида алюминия. По результатам химического анализа во всех исследуемых случаях сварки алюминиевых шин химический состав металла шва соответствовал основному металлу. Исключение составляет процесс автоматической сварки под флюсом ЖА-64, при котором концентрация кремния в шве превышает его содержание в основном металле за счет восстановления Si из Si02 и перехода его в шов. Это явилось причиной снижения электропроводности металла шва при сварке алюминиевых шин под флюсом ЖА-64.
Определение содержания А1203 в металле шва и основном металле свидетельствует, что наилучшая защита сварочной ванны и удаление из нее А1203 производится при сварке закрытой дугой. Концентрация А1203 в металле шва при этом в 2-3 раза меньше, чем в основном металле, что объясняется высокой активностью флюса и глубоким рафинированием металла в процессе сварки. Повышенное содержание А1203 в шве наблюдается при полуавтоматической сварке в среде аргона, так как этот процесс осуществляется за несколько проходов и защита зоны сварки при столь значительной толщине свариваемого металла нарушается. Поэтому электропроводность металла шва при данном способе сварки алюминиевых шин является наиболее низкой. Достаточно высокая плотность шва обеспечивается при автоматической сварке под флюсом закрытой дугой, так как в этом случае сварочная ванна надежно изолирована от окружающей среды и создаются благоприятные условия для его дегазации в процессе сварки. Открытая дуга при ручной сварке угольным электродом с использованием флюса ВАМИ и автоматической сварке по слою флюса АН-А1 не обеспечивает надежной защиты расплавленного металла сварочной ванны от атмосферы, что приводит к снижению плотности шва. Однако применяемые флюсы при сварке этими способами проводят частичную металлургическую обработку металла. Поэтому концентрация оксида алюминия и пористость шва в этих случаях несколько ниже, чем при полуавтоматической сварке плавящимся электродом в среде аргона.
Расчет удельного электросопротивления металла шва, полученного при сварке алюминиевых шин под флюсом закрытой дугой, в зависимости от его состава производился по формуле:
р = 0,0264 + 0,007 (% Si) + 0,0007 (%Fe ) + 0,04 (%Ti + V + + Cr+ Mn ) (Ом • мм2)/м.
Полученные расчетные данные показали удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента.
