СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Технология однопроходной односторонней сварки толстолистового алюминия

Сварка толстолистового алюминия представляет собой достаточно сложную технологическую задачу. Сварные соединения, полученные из тол|толистового алюминия применяющимися в настоящее время способами - ручной дуговой сваркой и сваркой открытой дугой по слою флюса, - не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Основными недостатками таких соединений являются их низкая прочность, коррозионная стойкость и электропроводность, а также пористость металла шва и засоренность его неметаллическими включениями.

При сварке толстолистового алюминия неплавящимся электродом в среде инертных газов в металле шва наблюдаются включения вольфрама, количество которого растет с увеличением толщины свариваемого металла. Причиной этого дефекта являются тяжелые условия работы электродов при значительных токовых нагрузках и случайные замыкания электродов на металле при наличии глубокой разделки кромок [114].

При использовании трехфазной дуги сварки за один

проход алюминия толщиной 40 мм скорость сварки составляет 5-6 м/ч [33, 115]. При увеличении толщины свариваемого металла скорость сварки снижается, и процесс осуществляется за несколько проходов с обязательной разделкой кромок сложной конфигурации.

Наличие оксидных пленок в корне шва, снижающих прочность и электропроводность сварных соединений, низкая производительность процесса сварки и значительный расход дорогих и дефицитных инертных газов не позволяют считать данный способ сварки толстолистового алюминия наиболее рациональным.

При сварке алюминия закрытой дутой под флюсом на больших плотностях тока возникает глубокая ванна вследствие значительного давления газов, выделяющихся при плавлении и последующем испарении элементов электродной проволоки и флюса.

Учитывая высокую мощность, тепловую концентрацию и КПД использования энергии электрической дуги, её целесообразно применять для однопроходной односторонней сварки алюминия толщиной более 30 мм.

При однопроходной односторонней сварке алюминия под флюсом ЖА-64 с увеличением толщины свариваемого металла растет сварочный ток, который достигает 900 - 950 А при сварке металла толщиной 25 мм [95].

Предварительные эксперименты показали, что для однопроходной односторонней сварки алюминия толщиной 30 мм необходим сварочный ток порядка 1100 А, а используемый для сварки под флюсом алюминия толщиной менее 30 мм сварочный генератор ПСМ-1000 не обеспечивает требуемую величину сварочного тока при сварке швов большой протяженности. Поэтому для сварки алюминия толщиной 30-40 мм был использован выпрямитель ВДМ - 1601, номинальная величина сварочного тока которого составляет 1600 А.

Величина сварочного тока и напряжения дуги регулировалась с помощью сменных шестерен на механизме подачи сварочной проволоки, а также балластными реостатами РБ-300, соединенными между собой параллельно и включенными последовательно в сварочную цепь.

Сварка пластин встык из алюминия А5 размером 1000x300x32 мм под флюсом ЖА-64 [96] производилась двумя электродными проволоками марки Св А5С диаметром

2,5 мм, расположенными перпендикулярно оси шва.

Расстояние между проволоками составляло 13 мм. Химический состав свариваемого металла и электродной проволоки приведен в табл. 4.8.

Сборка стыков для сварки производилась с зазором 8 мм. Для формирования обратной стороны шва использовалась пластина из малоуглеродистой стали с выфрезерованной канавкой. Режим сварки приведен в табл.

4.9.

Таблица 4.9 - Режим сварки пластин

Для снижения высоты наружного усиления шва было увеличено расстояние между электродными проволоками до 16 мм и произведена сварка пластин встык на режиме с повышенным напряжением дуги ( Ud - 32 ... 38 В). Внешний вид шва и его рентгенограмма представлены на рис. 4.9. Приведенный рентгенопросвет сварного шва свидетельствует об отсутствии пор, трещин и шлаковых включений.

Увеличение расстояния между электродными проволоками и напряжения на дуге привело к увеличению ширины шва и снижению высоты его наружного усиления, которое составило при этом 5-6 мм.

Химический анализ металла шва приведен в табл.

4.10. Некоторое увеличение содержания кремния в шве объясняется восстановлением его из флюса. Однако при этом химический состав металла шва соответствует ГОСТу на алюминий марки А5.

Результаты испытаний сварных соединений на разрыв, загиб и коррозионную стойкость (табл. 4.11) свидетельствуют, что разработанная технология сварки толстолистового алюминия под флюсом обеспечивает высокие механические и коррозионные свойства сварных соединений.

Значительный интерес при изготовлении сварных конструкций представляет соединение за один проход с одной стороны толстолистового алюминия, набранного в виде пакета, сварка которого вызывает особые затруднения. Для проведения этого эксперимента использовался пакет толщиной 40 мм, набранный из двух пластин размерами 1000x300x20 мм. Сварка пакетов встык осуществлялась на режиме: 1а = 1400 - 1500 A; Ud — 34 - 38 В; Vu = 13 м/ч; Vnnp - 496 м/ч”

Макрошлиф полученного сварного соединения представлен на рис. 4.10, б.

При отработке режимов сварки металла толщиной более 40 мм использовались два выпрямителя ВКСМ-1000, соединенных параллельно.

Отработка режима сварки алюминия толщиной 50 мм производилась на составных пластинах размером 1000 х300х(25+ 25) мм двумя электродными проволоками диаметром 3 мм. Удовлетворительное формирование шва и отделение шлаковой корки было получено на режиме: 1а « 1800 - 1900 A; Ud - 36 - 40 В; Vm - 13 м/ч; Уяпр - 624 м/ч. На рис. 4.10, в представлен макрошлиф полученного сварного соединения.

Следует отметить, что необходимую высоту наружного усиления шва можно получить, изменяя величину зазора между стыкуемыми пластинами. Например, при сварке пластин толщиной 50 (25+25) мм с зазором 10 мм высота наружного усиления шва составляла 15 мм. При увеличении зазора до 14 мм высота наружного усиления шва уменьшалась до 8 мм.

Сварка пластин размером 1000 х 400х(32 + 32) мм производилась двумя электродными проволоками диаметром 3,6 мм на режиме: 1а - 1900 - 2100 A; Ud - 36 - 40 В; Va = 8 м/ч; V - 515 м/ч. Макрошлиф сварного соединения показан на рис. 4.12, г. Исследование микро - и макроструктуры сварных соединений толщиной 32 - 64 мм свидетельствует о высокой плотности металла шва, отсутствии пор и шлаковых включений не только по сечению шва, но и в местах соприкосновения листов пакета со швом.

Полученные результаты позволили произвести автоматическую сварку шин сечением 515x70 мм, используемых при изготовлении ошиновки электролизных цехов алюминиевых заводов. Сварка шин производилась на режиме: = 2000 - 2200 A; Ud = 36 - 40 В; Va = 7 м/ч.

Формирование шва в процессе сварки с трех сторон осуществлялось в приспособлении, состоящем из нижней и двух боковых формирующих планок, которые плотно поджимаются к свариваемым шинам нажимным устройством и винтовыми парами (рис. 4.11). Для обеспечения усиления шва при сварке шин с нижней и боковых сторон формирующие планки имели выфрезерованные канавки.

Рис. 4.10. Макрошлифы сварных швов: а - 5 = 32 мм; б -5 = 40 (20+20) мм; в - 5 * 50 (25+2S) мм; г - 5 = 64 (32+32) мм

Большое значение для получения качественного соединения по всей длине стыкуемых пластин, особенно в начальной и конечной частях шва, имеют выбор исходного положения электрода по отношению к торцевой плоскости стыка и технология завершения сварки.

Для определения оптимального начального

положения расщепленного электрода при сварке шин были сварены пластины с различным исходным расстоянием плоскости расположения электродов от торцевой поверхности пластин (15, 20, 30 мм).

На рис 4.12 показан вид торца сварного шва в его начальной части. Как следует из рисунка, при расстоянии

20.. 30 мм сварной шов получается зауженным, что приводит к несплавлению его с пластиной.

Для заданных размеров пластин оптимальное расстояние электродов от края стыка оказалось равным 15 мм. При этом обеспечивается полный провар пластин и практически одинаковая ширина шва по его длине.

При автоматической сварке под флюсом алюминиевых шин сечением 515x70 мм образуется глубокий кратер шва, снижающий поперечное сечение свариваемого металла (рис. 4.13).

С целью предотвращения возникновения дефектов были проведены исследования по определению оптимального режима начала процесса сварки и заварки кратера. Были опробованы три варианта заварки кратера: 1 с остановкой сварочного автомата и продолжением процесса

Рис. 4.12. Вид начала шва с торца при положении электродов от края стыка 30 мм (а) и 15 мм (б)

сварки непродолжительное время (рис.4.14,а); 2 - то же, но с задержкой отключения тока при отключенной подаче электродов; 3 по специальной программе, позволяющей регулировать скорость подачи электродов с одновременным управлением скорости и направления перемещения сварочного автомата. Наилучшим по всем показателям является программируемый способ начала еварки и заварки кратера по специально разработанной циклограмме. При

таком способе практически не образуются дефекты и углубления в концевых участках шва.

Для выполнения заданного цикла сварки применительно к сварочному трактору ТС-35 была разработана схема автоматического управления, позволяющая полностью автоматизировать процесс сварки.

Основными элементами схемы являются однопозиционные реле времени Е-52 и шестипозиционные реле времени РВ-10-62. Реле времени Е-52 служит для включения трактора после выдержки на месте в начале шва. Реле времени РВ-10-62 предназначено для выполнения программы заварки кратера шва.

Внешний вид заваренного кратера шва по программе представлен на рис. 4.14,6.

Значительные затруднения вызывает процесс сварки шины с пакетом лент толщиной 1 мм каждая. Проведенные эксперименты показали, что для получения качественного сварного соединения необходимо обеспечить плотное прижатие листов пакета. При этом обеспечивается хорошее формирование, высокая плотность металла шва и отсутствие шлаковых включений.

На рис. 4.15 представлен макрошлиф сварного соединения шины сечением 515 х 70 мм с пакетом из 70 лент толщиной 1 мм каждая. Несоблюдение этого условия приводит к протекам жидкого флюса между листами свариваемого пакета, что может

вызвать коррозию металла в процессе длительной эксплуатации ошиновки электролизной ванны. Режим сварки шины с компенсатором сохраняется практически таким же, как при сварке шины с шиной.

Разработанная технология автоматической однопроходной односторонней сварки закрытой дугой толстолистового алюминия позволяет значительно увеличить производительность процесса и повысить качество сварных соединений.