СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Проблемы и трудности сварки алюминия под флюсом (закрытой дугой)

Выше было показано, что существенные ограничения на выбор технологического процесса сварки алюминия накладывают его физические свойства.

Так, низкая температура плавления (933 К), высокая жидкотекучесть, резкое понижение прочностных свойств

металла с повышением температуры (при 783 К <тг= 5,5 МПа) и кратковременность пластического состояния при переходе металла из твердой фазы в жидкую и наоборот позволяют производить сварку алюминия только в нижнем положении с применением различных приспособлений для удержания расплавленного металла ванны и металла, нагретого до температур, близких к Тт, от проваливания. А высокая теплоемкость, теплопроводность и электропроводность требуют для его сварки применения мощных концентрированных источников тепла.

Примечания. 1. Даны крайние и средние значения из десяти опытов. 2. Предельно допустимая концентрация пыли 2 мг/м3:

HF - 1 мг/м3; СО - 20 мг/м3 и N,05 - 5 мг/м3.

Для преодоления всех специфических трудностей сварки алюминия наиболее целесообразно использовать способ дуговой сварки под слоем керамического флюса (закрытой дугой), так как этот способ позволяет;

а) получить мощный и концентрированный источник нагрева;

б) закрыть реакционную дуговую зону от воздействия окружающей атмосферы и регулировать состав газовой фазы в зоне дуги;

в) производить необходимую металлургическую обработку - легирование, модифицирование, рафинирование - путем введения соответствующих активных добавок в керамический флюс.

Специфические свойства алюминия и его сплавов позволяют применять для их сварки флюсы, состоящие в основном из фтористых и хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов [70, 74].

Активность флюса определяется содержанием фтористых солей, а хлористые соли составляют шлаковую основу флюса, придавая ему определенные физические свойства (температуру плавления, вязкость и др.). По такому принципу построены флюсы МАТИ, УФОК, АН-А1 и др.

Указанные флюсы могут применяться в виде механической смеси исходных компонентов или плавлеными. Процесс сварки с использованием этих флюсов можно вести только при открытой дуге. При попытке погрузить дугу под флюс дуговой процесс переходит в электрошлаковый. При этом сварное соединение получить практически невозможно. Это объясняется тем, что фтористые и хлористые соли в расплавленном состоянии имеют большую электропроводность и шунтируют дуговой промежуток.

Удельная электропроводность некоторых расплавленных солей при температуре плавления приведена в табл. 1.3.

Вторым препятствием к осуществлению этого процесса является трудность защиты сварочной ванны от растворения в ней водорода и получения плотного металла шва. Последнее обстоятельство связано с высокой гигроскопичностью флюсов. Влажность таких флюсов составляет в среднем 4,5 % [75].

Такого количества влаги, вносимой только флюсом в реакционное пространство, вполне достаточно, чтобы получить металл шва, пораженный газовыми порами. Влага может взаимодействовать непосредственно с алюминием и диссоциировать на составляющие, что будет способствовать насыщению металла водородом. Так, например, в результате

реакции алюминия с парами воды при РНі0 = 0,002188 МПа

(среднее парциальное давление пара в воздушной атмосфере летом) и 1000 К равновесное давление молекулярного водорода и концентрация растворенного водорода в алюминии могут

достигать огромных значений [7]: РН} = 0,887 • 10'° МПа, a [HJp

“3.24-105 смуіОО г металла.

Алюминий вступает в реакцию с парами воды при ничтожно малом парциальном давлении их в атмосфере. Например, при 1000 К взаимодействие алюминия начинается при РНі0 = 0,259-Ю19 МПа [7]. В металле при температуре 1000 К и PHj - 0,1 МПа может раствориться [Н]р - 1,09 см3/ 100 г металла, что соответствует равновесному парциальному давлению атомарного водорода Рп - 0,26-109 МПа.

Исследования по разработке метода автоматической дуговой сварки под флюсом алюминиевых сплавов плавящимся электродом [75] показали, что основной трудностью в осуществлении этого процесса является предупреждение пористости в швах. Даже при применении свежевыплавленных флюсов количества влаги, адсорбированной его гранулами, вполне достаточно для растворения в металле такого количества водорода, которое способно вызвать в швах значительную пористость.

Попытки осуществить сварку алюминия при закрытой дуге под флюсом предпринимались неоднократно как в странах СНГ, так и за рубежом, однако они не дали положительных результатов.

Новый способ дуговой сварки алюминия и его сплавов закрытой дугой под слоем керамических флюсов был разработан в Ждановском металлургическом институте (ныне Приазовский государственный технический университет) на кафедре “Оборудование и технология сварочного производства”

В основу этой работы были положены следующие соображения:

1. Для осуществления устойчивого дугового процесса при полностью закрытой дуге необходимо иметь флюсы с низкой электропроводностью в расплавленном состоянии. Существующие флюсы для сварки алюминия и его сплавов не пригодны для этой цели, так как все они составлены из фтористых и хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, обладающих весьма высокой электропроводностью в расплавленном состоянии.

Щелочные хлориды и фториды полностью ионизированные соединения в расплаве, причем перенос тока в них осуществляется главным образом катионами. Увеличение размера и массы катиона приводит к повышению сил сопротивления его движению в среде анионов и падению электропроводности. С повышением температуры электропроводность расплава таких солей растет, так как увеличивается подвижность ионов [76].

Электропроводность флюса как ионного расплава можно понизить за счет введения в него компонентов, которые

а) образуют громоздкие и малоподвижные комплексные ионы в результате химических взаимодействий;

б) дают соединения с ковалентной связью;

в) образуют комплексные кислородосодержащие ионы [76, 77].

Вводимые во флюс компоненты с целью понижения его электропроводности не должны оказывать существенного влияния на другие его свойства

На основании высказанных соображений были отобраны для исследования в качестве дополнительных компонентов, снижающих электропроводность, плавиковый шпат CaFy хромпик К2Сг2Ог углекислый натрий Na2COr перекись марганца Мп02 и кремнезем Si02.

2. С целью предупреждения порообразования и повышения плотности металла шва необходимо принимать меры к снижению количества водородосодержащих веществ, попадающих различными путями в реакционную сварочную зону, а также создавать благоприятные условия для дегазации металла в сварочной ванне.

Водород, попадающий в реакционное пространство, практически невозможно связать в химические соединения, не растворяющиеся в металле сварочной ванны. Это видно из приведенных ниже реакций взаимодействия продуктов диссоциации компонентов флюса с металлом и некоторыми газами в реакционном пространстве:

330 ккал/моль

166.4 ккал/моль

134.5 ккал/моль 133,0 ккал/моль 104,25 ккал/моль

98.2 ккал/моль

64.2 ккал/моль 21,9 ккал/моль

Основным источником водорода при сварке закрытой дугой будет влага, вносимая с флюсом. Снизить гигроскопичность флюса можно за счет введения в его состав компонентов, обладающих гидрофобными свойствами. Например, для снижения гигроскопичности флюса можно применить в качестве связки раствор карбоксиметилцеллюлозы, создающий на поверхности гранул флюса в процессе прокалки защитную пленку.

Применение расщепленного электрода увеличивает объем сварочной ванны и время ее существования. При этом на значительной части поверхности ванны будет поддерживаться высокая температура. В работах [30, 31] установлено, что с увеличением объема сварочной ванны при прочих равных условиях уменьшается концентрация растворенного в ней водорода. Благодаря сравнительно большому времени пребывания металла в расплавленном состоянии создаются условия для дегазации ванны за счет всплывания пузырьков водорода. При расчете по уравнению Стокса оказалось, что за время существования ванны из нее успевают всплыть пузырьки водорода с радиусом менее 0,03 мм.

На основании изложенных теоретических предпосылок были проведены исследования и разработка нового способа сварки алюминия и его сплавов под флюсом, обеспечивающим получение высокого качества сварных соединений.