СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Металлургические особенности сварки алюминия плавлением

Алюминий и его сплавы, благодаря своим физико­химическим свойствам, малому удельному весу, относительно высоким показателям механических свойств, хорошей коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, находят широкое применение при изготовлении летательных аппаратов, космической техники, железнодорожных цистерн, котлов, резервуаров для транспортировки и хранения различных жидкостей, труб для газо - и нефтепроводов, а также различной химической аппаратуры [1-3]. Для изготовления этих изделий преимущественно применяется листовой металл толщиной 3 40 мм, а в качестве одного из ведущих и

прогрессивных процессов получения неразъемных соединений широко используется сварка плавлением [4-6].

При дуговой сварке алюминия жидкий металл сварочной ванны подвергается сложному процессу взаимодействия с газами и шлаками, который определяет после охлаждения и кристаллизации сварочной ванны плотность металла шва и его химический состав.

Обладая повышенной химической активностью, алюминий энергично взаимодействует с газами даже при ничтожно малых значениях их парциального давления. По данным работы [7],

реакция алюминия с кислородом может протекать при P0i ■=* 4,406-1047 МПа; реакция с водяным паром - при PHt0 = 2,59-10"

70 МПа; реакция с азотом при Ры> = 1,667• 10'|: МПа.

Образующиеся химические соединения или растворы могут явиться причиной возникновения дефектов в металле, пор, шлаковых включений и т. д. [8]. Поэтому для получения качественного металла необходима защита его от контакта с газами.

При контакте с кислородом или воздухом на поверхности алюминия образуется оксидная пленка толщиной 0,01-0,02 мм [9,10]. Температура плавления оксида алюминия в несколько раз превышает температуру плавления чистого металла и составляет 2323 К [11]. Отношение объема образующейся оксидной пленки к объему окислившегося металла составляет 1,24 [12, 13], и, согласно принципу Виллинг-Бедворта, алюминий защищен плотной оксидной пленкой от проникновения газов и дальнейшего окисления [14]. Оксид алюминия нерастворим ни в твердом, ни в жидком алюминии, поэтому, попадая в металл, нарушает его сплошность и снижает работоспособность конструкции [15].

При контакте с водой на поверхности алюминия образуется первоначально аморфная оксидная пленка толщиной 80-100 мкм.

Затем возникает кристаллический бемит, а потом кристаллический байерит. Состав, структура и свойства оксидов алюминия приведены в табл. 1.1 [9].

Оксидная пленка нерастворима в алюминии и, будучи тяжелее расплавленного металла, не может всплывать на поверхность жидкого алюминия и остается в нем при кристаллизации в виде включений. Это существенно нарушает сплошность металла и приводит к значительному снижению его герметичности, механических свойств и коррозионной стойкости [16, 17].

Поэтому при сварке алюминия одной из основных задач является удаление оксидной пленки из сварочной ванны. Это может быть достигнуто как при помощи флюсов, так и за счет явления “катодного распыления”

Обладая высокой химической активностью, алюминий восстанавливает большинство элементов из их оксидов, что приводит к увеличению концентрации примесей в металле. Согласно термодинамическим расчетам [18, 19, 20], нейтральными по отношению к алюминию могут быть галоидные соли щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих большую по абсолютному значению убыль свободной энергии образования соединения, чем алюминий. Поэтому для плавки и сварки алюминия нашли применение флюсы, состоящие из хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов [13, 21].

Ранее существовало мнение о физическом растворении А120} во флюсах при его взаимодействии с жидким металлом. Однако при исследовании растворимости А120} в жидком флюсе [22] оказалось, что в расплавленном NaCl при Г= 1173- 1273 К растворимость Al2Oj составляет менее 0,005 %, для чистого КС1 предельная растворимость А1203 - 0,008 %. При добавке криолита к равновесной смеси хлоридов натрия и калия растворимость А120} увеличивается и при 25 % NajAlFg составляет 1,05 %. Эти результаты получены при выдержке расплава при Т = 1173-1273 К в течение 1 ч. Следовательно, объяснить удаление А12Оу только растворимостью его во флюсе невозможно. Попытка объяснить процесс удаления оксидной плёнки за счет поверхностных явлений на границе жидкий алюминий - жидкий флюс-оксид алюминия [23] также не привели к успеху. В настоящее время механизм действия флюсов при сварке алюминия представляется следующим образом.

В процессе сварки при нагреве алюминия в оксидной

пленке появляются трещины, так как коэффициент теплового расширения А120у почти в три раза меньше, чем у алюминия [13]. Жидкий флюс через образующиеся трещины в оксидной пленке проникает к металлу. В результате реакции жидкого алюминия с флюсом образуются газообразные субгалоиды [24, 25], которые способствуют отрыву и измельчению оксидной пленки. Волнообразное перемещение жидкого флюса в процессе сварки способствует переносу части оксидной пленки в шлак.

Разрушение оксидной пленки в сварочной ванне путем "катодного распыления” происходит при дуговой сварке в том случае, когда сварочная ванна является катодом. В результате бомбардировки катода тяжелыми положительными ионами оксидная пленка разрушается и оттесняется к краям ванны [13,16].

Оксидная пленка адсорбирует, главным образом, пары воды. Адсорбционная способность различна у различных модификаций оксида алюминия. Наибольшей гигроскопичностью отличается у - AljOj, способная удерживать некоторое количество воды даже после прокаливания при Г - 1163-1173 К[7].!

Попадая в зону сварки, адсорбированная на поверхности оксидной пленки влага взаимодействует с жидким металлом, насыщая сварочную ванну водородом [7, 26].

Водород в алюминии присутствует в виде твердого раствора внедрения, заполняет усадочные раковины и поры в молекулярном состоянии, а также адсорбируется в виде воды на оксидной пленке, покрывающей поверхность металла [27]. Принципиально возможно образование гидрида алюминия. Однако это соединение неустойчивое и существенного влияния на качество металла не оказывает [28].

Растворимость водорода в алюминии в зависимости от давления и температуры определяется уравнением [17],

W, к ‘ • (i d

где [#р] - концентрация водорода, растворенного в металле при температуре Т (К) и парциальном давлении

молекулярного водорода, находящегося в равновесии Рн;

Qg - теплота растворения водорода в металле;

К и R - константы.

Известно [29], что при переходе алюминия из жидкого состояния в твердое происходит резкое снижение растворимости в металле (см. часть II, рис. 9.11), что создает благоприятные условия для возникновения пористости

Основным источником насыщения алюминия водородом является влага [7,17,29,30] при ее взаимодействии с жидким металлом по реакции:

2АІ+3 Н20 - А120} + 6 Я (1.2)

Образующийся атомарный водород растворяется в

О707

= — - 0,169+ lg/>„ (1.3)

жидком алюминии согласно уравнению [7].

По расчетным данным работы [7] при температуре 1000 К и столь незначительном парциальном давлении атомарного водорода, как Рл = 2,618 1010 МПа, растворимость водорода в алюминии составляет 1,09 см3/100 г. Следовательно, процесс взаимодействия алюминия с влагой представляет наибольшую опасность в металлургии алюминия.

Проведенные исследования в работах [31, 32] убедительно показали, что при аргонодуговой сварке алюминия основным источником водорода, поступающим в сварочную ванну, является влага, адсорбированная нь поверхности проволоки и основного металла Поэтому для понижения концентрации водорода в сварочной ванне необходимо применять рациональные способы обработки поверхности проволоки и кромок свариваемого металла. Наилучшие результаты дают электрополировка или электрохимическое травление электродной проволоки и шабрение свариваемых кромок [13].

При сварке с применением флюсов количества водорода, поглощенные сварочной ванной, будут зависеть также от влажности флюса Поэтому использование во флюсе гигроскопических компонентов нежелательно. Перед сваркой обычно рекомендуется прокалка флюсов.

Кроме влаги, адсорбированной на поверхности сварочной проволоки, основного металла и содержащейся в защитном газе или флюсе (в зависимости от способа сварки), источниками водорода, растворяющегося в металле шва, могут быть водород, содержащийся в основном металле и проволоке (в соответствии с долями участия обоих материалов в образовании шва), а также водород, переходящий в сварочную ванну за счет диффузии из твердого металла [26,31, 33].

Повышение концентрации водорода в жидком металле за счет его перехода из закристаллизовавшегося возможно в том случае, если скорость диффузйи водорода соизмерима со скоростью кристаллизации жидкого металла. Подобные условия наблюдаются при кри^аллиэации алюминия в процессе литья. Учитывая малую скорость диффузии водорода в твердом алюминии по сравнению со скоростью перемещения фронта кристаллизации сварочной ванны, диффузией водорода из твердого металла в жидкость в процессе сварки алюминия можно пренебречь [34,35].

Содержание водорода в металле и проволоке, выпускаемых в настоящее время алюминиевой промышленностью, находится в пределах 0,15-0,22 см3/100 г [17], что не представляет значительной опасности в образовании пористости при сварке алюминия [31]. Причем имеется тенденция к снижению концентрации растворенного в металле водорода.

Водород, находящийся в жидком металле, может удаляться в виде пузырьков и атомов. Диффузионный процесс удаления водорода из металла в виде атомов не играет существенной роли при сварке, ввиду кратковременности
существования сварочной ванны в жидком состоянии. Пузырьковое выделение водорода представляет значительный интерес, так как в определенных условиях может привести или к дегазации, или к образованию пористости. Образование пузырьков водорода возможно при условии:

(1.4)

где Рн - давление водорода в пузырьке, ат;

Рвн давление газовой среды над ванной металла, ат; hM высота столба металла, см;

уи плотность металла, г/смэ;

А высота слоя шлака, см;

Ш ’

ут плотность шлака, г/см3;

ст поверхностное натяжение жидкого металла;

г радиус пузырьков, см.

При обычных условиях дуговой сварки величинами hM уи и hm уш можно пренебречь, а значение Рю принять равным 1 ат. Тогда неравенство примет вид:

(1.5)

Из выражения видно, что в момент образования

2сг

пузырька в расплаве, т. е. при г - 0, величина - оо и,

следовательно, возникновение пузырьков водорода становится практически невозможным. Это справедливо для очень чистых жидкостей. В алюминии промышленной чистоты всегда находятся частицы оксида алюминия, которые не смачиваются жидким металлом и поэтому имеют полости, не заполненные жидкостью, являющиеся готовыми зародышами пузырьков [31,

2сг

36, 37]. При этом член -------------- в неравенстве (1.5) не имеет
существенного значения. По данным Г. Д. Никифорова, имеющиеся дефекты поверхности раздела отказывают стимулирующее действие на возникновение зародышей газовой фазы и при определенных условиях такие дефекты превращаются в Готовые зародыши, что создает благоприятные условия для образования газовых пузырьков.

В результате диффузии растворенного в металле водорода в имеющиеся зародыши пузырьков последние увеличиваются в размерах и при кристаллизации металла могут создавать пористость. Необходимым условием для роста зародышей микропустот является превышение исходной концентрации водорода в жидком металле [Яц] над равновесной растворимостью водорода в жидком металле при температуре кристаллизации, которая составляет для алюминия при РНг = 1 ат [Я]0^ = 0,69 см3/100 г [31].

Результаты работ [31, 32] показывают, что если содержание водорода в сварочной ванне превышает 0,69 см3/ 100 г, то при охлаждении выделяющйеся из жидкого металла пузырьки водорода создают пористость. Поэтому для получения плотных швов необходимо принимать все меры, предотвращающие растворение водорода в сварочной ванне.

Определенное влияние на процесс пузырькового выделения водорода из жидкого металла оказывает концентрация оксида алюминия. По данным [36, 37], при содержании в алюминии его оксида порядка 0,015-0,016 % появление газового пузырька происходит после того, как равновесное парциальное давление превысит внешнее. Снижение концентрации оксида алюминия до 0,008-0,010 % приводит к задержке в появлении пузырьков водорода, которая увеличивается по мере уменьшения содержания оксида алюминия в жидком металле. При концентрации оксида алюминия ниже 0,001 % пузырьковое газовыделение прекращается. Поэтому для получения качественного металла шва необходимо рафинировать сварочную ванну не только ог водорода, но и от мелкодисперсной оксидной пленки. Наиболее рациональным способом рафинирования металла при сварке алюминия является использование высокоактивных флюсов на основе хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов.

Следует отметить, что возникновение газовых пузырей в кристаллизующемся металле еще не означает, что металл после кристаллизации будет поражен порами. При определенных условиях возможен процесс дегазации жидкого металла, который заключается в том, что возникшие в жидком металле газовые пузырьки успевают всплыть на поверхность расплава до его кристаллизации. При этом снижается содержание водорода в металле и повышается его плотность.

Кроме кислорода и водорода, алюминий взаимодействует с другими газами, образуя нитриды, карбиды, сульфиды, которые нерастворимы в металле, имеют высокую температуру плавления и образуют на поверхности алюминия твердые пленки [17, 38]. В сварочных материалах эти газы практически не находятся, однако для получения качественного металла шва необходимо принимать меры, предотвращающие взаимодействие алюминия с этими газами.

Основными примесями технического алюминия являются железо и кремний. Железо практически не растворяется в алюминии и при малом его содержании в металле образует соединение FeAl}, которое дает с алюминием эвтектику с температурой плавления 928 К, содержащую 1,82 %Fe

Кремний образует с алюминием более легкоплавкую эвтектику, чем железо. Температура ее плавления составляет 850 К при содержании кремния 11,7 %. Растворимость кремния в алюминии при комнатной температуре составляет 0,05 %. Наличие большой концентрации кремния приводит к выделению по границам зерен хрупкого кремния в виде иглообразных кристаллов, подобных иглообразным кристаллам соединения FeAly

В техническом алюминии кремний и железо присутствуют одновременно. Согласно тройной диаграмме состояния А1 Fe Si, из жидкости в зависимости от содержания кремния и железа происходит выпадение кристаллов алюминия, технического соединения FeAl} и тройных соединений а (AlFeSi) и (3 ( AlFeSi ). При больших содержаниях железа и кремния из жидкости выделяется фаза а ( AlFeSi ) в виде скелетообразных кристаллов и фаза Р (AlFeSi) в форме пластин и иглообразных кристаллов.

При малых концентрациях железа и кремния (как это имеет место в техническом алюминии) по границам зерен алюминия образуются иглообразные кристаллы FeAl3, которые выделяются из расплава как составляющие эвтектики a(Al+FeAlj) [39].

Наличие железосодержащих фаз в алюминии повышает его прочность, твердость, снижает пластичность и коррозионную стойкость.

Склонность алюминия к образованию кристаллизационных трещин при сварке обусловлена грубой столбчатой структурой металла шва, а также имеющимися примесями [15,40]. Горячие трещины возникают в процессе кристаллизации шва по жидким прослойкам между дендритами. Наибольшую опасность представляет наличие кремния, который образует легкоплавкую эвтектику Al - Si (Ты - 850 К). В работах [15, 41] отмечается благоприятное действие железа на стойкость алюминия к образованию “горячих’’ трещин, которое заключается в образовании более тугоплавкого тройного соединения Al - Fe - Si. При этом необходимо, чтобы Fe Si > 0,5 при содержании кремния до - 0,25 % и Fe: Si > 1 при более высоком содержании кремния [41]. При сварке технического алюминия склонность к кристаллизационным трещинам возрастает с увеличением толщины свариваемого металла, что связано с ликвационными процессами [42].

Эффективными мерами борьбы с кристаллизационными трещинами при сварке является модифицирование структуры шва [43], а также рациональная конструкция сварного соединения, обеспечивающая получение минимальных растягивающих усилий в процессе кристаллизации металла шва [44].