СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

АЛЮМИНИЙ, МАГНИЙ И ИХ СПЛАВЫ

(Арбузов Ю. П., Лукин В. И.)

24.1. Основные марки сплавов и их свойства

Все алюминиевые и магниевые сплавы разделяются на две большие группы: деформируемые и литейные Среди деформируемых алюминиевых сплавов следует выделить сплавы, которые по своему назначению относятся к ко­вочным сплавам Деформируемые алюминиевые и магниевые сплавы в свою очередь подразделяются на сплавы, не упрочняемые и сплавы упрочняемые термической обработкой (табл. 24 1) Большинство литейных сплавов отно­сятся к группе сплавов, упрочняемой термической обработкой. Механиче­ские свойства различных полуфабрикатов представлены в табл 24 2

24.2. Свариваемость алюминиевых и магниевых сплавов

Свариваемость — совокупность определенных свойств материала, позволяющих при рациональном технологическом процессе по­лучать качественные сварные соединения. Часто свариваемости оценивается сопоставлением свойств сварных соединений с ана­логичными свойствами основного металла. Принято рассмат­ривать склонность материала к образованию дефектов при сварке (трещин, пор, оксидных плен и другие дефекты), свой­ства при статических, повторно статических, высокочастотных и ударных нагрузках, коррозионную стойкость с учетом условий эксплуатации изделий.

Магниевые сплавы

А. Термические неупрочняемые

Б. Термические упрочняемые

Примечания: 1. св — сплав свариваемый; не — сплав трудносвариваемый* 2. «Гр. А» — проволока химического состава основного металла, «гр. Б» — проволока химического состава не идентична с основным металлом. 3. при контактной сварке (точечной, роликовой) все сплавы относятся к сплавам свариваемым (св.).

Магниевые сплавы

Примечание. Для различных видов обработки принято следующее обозначение: М — мягкий, отожженный; П — полуиагар - тованный, Н — нагартованиый, Т — закаленный и естественно состаренный, Т1 — закаленный и искусственно состаренный, ТЗ — искусственно состаренный, б/т. о — без последующей термической обработки.

В табл. 24.1 приведена оценка свариваемости сплавов при сварке их плавлением (дуговая сварка неплавящимся электро­дом в среде инертных газов) и контактной сварке (точечная и роликовая). Выбор марки сварочной проволоки при сварке, при­хватке и подварке сплавов осуществляется в соответствии с ре­комендациями, представленными в табл. 24.1.

24.2.1. Дефекты в сварном соединении

При дуговой сварке алюминиевых сплавов в среде инертных га­зов встречаются различные дефекты: газовая пористость

(~48%), оксидные плены (~32 %), вольфрамовые включения (~12 %), трещины, несплавления и смещение кромок и др.

Кристаллизационные (горячие) трещины, окисные плены, непровар, несплавление, обнаруженные в сварном соединении,

подлежат обязательному устранению. Что касается пор, воль­фрамовых включений, раковин и других дефектов, то они допускаются без исправления конструкции в определенном коли­честве и объеме. Дефекты, выходящие по размерам и количе­ству из нормы, приведенные в табл. 24.3, 24.4, подлежат ис­правлению методом подварки. Суммарная длина дефектных участков, подлежащих подварке, не должна превышать 20 % длины шва (но не более 300 мм) для сварных соединений I ка­тегории и для II категории — 30 % (но не более 400 мм). Длина единичного дефектного участка не должна превышать 60 мм при расстоянии между ними не менее 100 мм (I категория) и 80 мм (II категория).

24.2.2. Сопротивляемость ГТ

При сварке сплавов Al—Mg, Al—Си, Al—Zn и Al—Si установ­лена повышенная склонность к трещинообразованию на сплавах с максимальным эффективным интервалом кристаллизации. Ме­таллургические способы уменьшения склонности к трещинам заключаются во введении в основной металл и сварочную про­волоку отдельных химических элементов, которые, изменяя эф­фективный интервал кристаллизации и пластичность металла в твердо-жидком состоянии, оказывают влияние не только на величину горячеломкости металла при сварке, но и позволяют за счет смещения неравновесного солидуса по отношению к рав­новесному перенести трещину из опасной зоны (зоны сплавле­ния) в наплавленный металл.

Технологические мероприятия по уменьшению трещин в свар­ном соединении находятся во взаимосвязи с темпом деформации в температурном интервале хрупкости, а также с наличием кон­центратора напряжений.

Во избежание образования кристаллизационных трещин сле­дует обратить внимание на жесткость стыкуемых деталей. При сварке деталей с резким перепадом толщины необходимо преду­сматривать со стороны точеных деталей (фланец, шпангоут и др.) полку, длина которой должна составлять 2S (S — тол­щина стыкуемых деталей в зоне сварки), но не менее 30 мм. Для уменьшения жесткости свариваемых деталей из тонколис­тового материала (S<2 мм) рекомендуется зиговка заготовок.

В зависимости от толщины материала при сварке врезных фланцев на цилиндрических и сферических поверхностях уста­навливается минимально допустимый диаметр. Так, для мате­риалов толщиной до 2 мм — диаметр не менее 60 мм, при тол­щине до 6 мм — не менее 120 мм и т. д. Наблюдаются трещины при сварке в зоне термического влияния, если шероховатость поверхностей свариваемых элементов составляет Rz>40 мкм.

При выполнении соединения в «отбортовку» на сплавах с 0„>25О МПа (Амгб, АМгб, Д20 и др.) очень часто на прак­тике в районе гиба наблюдаются микронадрывы, которые яв­ляются очагом образования трещины при сварке. Следует из­бегать соединения «по кромке», так как в них возможно появ­ление несплавления и трещин в корне шва из-за наличия оксид­ной пленки на поверхности металла. При изготовлении изделий со швами различной протяженности рекомендуется в первую очередь выполнять швы большой протяженности и швы макси­мального сечения, а затем короткие швы.

24.2.3. Оксидные пленки

Высокая химическая активность Al, Mg и их сплавом с кис­лородом приводит к образованию на поверхности металла ок­сидов (А120з, MgO). Толщина пленки при комнатной темпера­туре увеличивается во времени. Оксидные пленки относятся к группе плотных пленок (А1203, у = 4,00; MgO, у = 3,65), кото­рые предохраняют металл от дальнейшего окисления и взаимо­действия его с окружающей'Средой. На поверхности двойных сплавов алюминия с элементами меди, марганца, кремния, же­леза, цинка образуется оксидная пленка, по структуре анало­гичная пленке на чистом алюминии.

По данным А. В. Курдюмова, при содержании в сплаве Mg<0,02 % в оксидной пленке обнаруживается шпинель MgAl204 и у-А1204, при 0,01—0,1 % Mg оксидная пленка со - < гоит из MgAl204 и MgO. В оксидной пленке преобладает MgO уіи содержании магния в алюминиевых сплавах >1 %. Обра-

зованием рыхлой оксидной пленки MgO на поверхности маг - налиевых и магниевых сплавов объясняется их повышенная склонность к образованию пористости при сварке. Введение малых добавок бериллия в сплавы системы Al—Mg снижает окисляемость в десятки раз.

Наличие на поверхности металла тугоплавкой пленки(Гпл°3= = 2050°С; 7^л° = 2800°С) с высоким электросопротивлением оказывает отрицательное влияние на стабильность протекания процесса сварки. Оксидная пленка не плавится и не раство­ряется в жидком металле сварочной ванны. К этому следует добавить, что оксидная пленка активно адсорбирует влагу. При нагреве происходит диссоциация пара с выделением водорода — основного источника пор в сварных швах.

В связи с этим для обеспечения формирования наплавлен­ного металла при сварке необходимо разрушить оксидную пленку. Это достигается за счет катодного распыления при го­рении сварочной дуги в среде аргона (переменный ток, постоян­ный ток на обратной полярности) или за счет высокой концен­трации тепла при сварке в гелии на постоянном токе прямой полярности.

24.2.4. Газовая пористость

Многолетняя статистика брака сварных конструкций позво­ляет установить, что одним из основных дефектов (~48 %) при сварке алюминиевых и магниевых сплавов является газовая по­ристость.

Исследования взаимодействия Al и Mg с различными газами показали, что наибольшую растворимость в них имеет водо­род. Так, анализ газов в А1 при температуре 1200°С показал следующее соотношение: 78 % Н, 12 % СО, 4 % С02, 6 % N. В твердом алюминии водород практически нерастворим (S™ = = 0,036 см3/100 г). Заметная растворимость наблюдается лишь с увеличением температуры до 660 °С и выше (S*2 = 0,69 см3/ 100 г) и находится в зависимости от времени выдержки и дав­ления газа над расплавом. Значительно увеличивается раство­римость водорода у магния в жидком и в твердом состояниях (S«* =51 см3/100 г и SS ==19 см3/100 г). Растворимость водо­рода в алюминии снижается при введении Си, Si и Sn, тогда как присадка Mn, Ni, Mg, Fe, Сг, Zr, Th и Ті, наоборот, ее по­вышает.

Причиной образования пористости в сварных швах из алю­миниевых и магниевых сплавов является водород. К основным источникам появления водорода при сварке в среде инертных газов следует отнести: влажность защитной инертной среды, загазованность основного и присадочного металла, а также при­сутствие влаги на поверхности свар’иваемого материала. При этом основной объем газа (около 60%) приходится на поверх­ность металла сварочной проволоки.

Основные направления в разработке средств повышения плотности сварного соединения предполагают:

а) химическую, тепловую и механическую обработку поверх­ности (химическое травление, прогрев проволоки в аргоне, Т = 250—300°С, шабрение кромок Яг<40 мкм);

б) соблюдение нормативной длительности хранения матери­ала перед сваркой (основной металл после шабрения <3 ч; сварочной проволоки после химического травления <8 ч);

в) обеспечение культуры производства (влажность 75— 85%, запыленность IV класс чистоты, температуры 18—20°С);

г) уменьшение доли участия поверхности сварочной прово­локи при формировании наплавленного металла (увеличение диаметра сварочной проволоки с 1,5 до 3 мм; освоение формы разделки кромок под сварку С1, СЗ вместо С5 и С6, уменьше­ние числа проходов при выполнении сварочного соединения);

д) эффективное воздействие на условие кристаллизации жид­кого металла сварочной ванны (скорость всплывания газового пузырька должна превышать скорость кристаллизации, чему способствуют подогрев, погонная энергия дуги, дополнительные источники тепла: двухдуговая, трехфазная сварка и т. д.);

е) механическое воздействие на жидкий металл сварочной ванны (обработка УЗК. при сварке, магнитное перемешивание и др.).

24.2.5. Вольфрамовые включения

Сварку Al, Mg и их сплавов производят, как правило, не - плавящимся (вольфрамовым) электродом в атмосфере инерт­ного газа. Высокая температура плазмы электрической дуги, достигающая 6000—10 ООО К, и высокая плотность тока (~ 104—106 А/см2) создают значительные тепловые нагрузки на электрод, работающий в условиях дугового разряда. Снижение дефектности по вольфрамовым включениям в сварном соедине­нии возможно путем повышения эрозионной стойкости воль­фрама за счет введения оксидов (оксид лантана или оксид ит­трия и др.). Стойкость к токовым нагрузкам вольфрама марки ВЧ меньше, чем у других марок (ВЛ, СВИ, ВИ). Более долго­вечен в эксплуатации за счет высокой эмиссионной способности вольфрам с оксидом лантана (ВЛ) или оксидом иттрия (ВИ-20, ВИ-30, СВИ-1). Этот вольфрам поддерживает более высокую устойчивость дугового разряда.

Оптимизации технологии сварки способствует уменьшению тепловой перегрузки электрода со стабильной защитой W от воздействия окружающей среды. Для уменьшения перегрева W регламентируется продолжительность выполнения сварки. Следует избегать коротких замыканий электрода при сварке, обратив особое внимание на условия выполнения сварного со­единения (труднодоступные места, сварка в пространственном положении и т. д.).

Наибольшая стойкость W при сварке на постоянном токе прямой полярности, меньшая — при переменном токе, минималь­ная— при постоянном токе обратной полярности. Оптимальный расход газа обеспечивает стабильный процесс горения-дуги и хорошую защиту W от воздействия окружающего воздуха, а тем самым повышается стойкость W и уменьшается дефектность в сварных соединениях.

24.3. Технология сварки и свойства сварных соединений

24.3.1. Особенности технологии сварки

Наибольшее распространение при изготовлении сварных конст­рукций из легких цветных сплавов получила дуговая сварка в среде инертных газов.

Особенности сварки алюминиевых и магниевых сплавов предопределяют повышенные требования к ее технологии. Пер­востепенное значение приобретает культура производства. В сборочно-сварочных цехах не допускается выполнение работ, связанных с интенсивным образованием пыли и дыма (газовая резка, электродуговая сварка, зачистка абразивными кругами и т. п.). Сварка алюминиевых и магниевых сплавов производится в чистых помещениях, чистота которых достигается их отделкой,

тщательной уборкой. Все подгоночные и сварочные работы вы­полняются в чистой специальной одежде и в сухих чистых хлоп­чатобумажных перчатках. Сварные изделия изготавливают в цехах с относительной влажностью воздуха не более 70%, в районах повышенной влажности не более 80 %. При этом це­ховая температура поддерживается для холодного периода в пре­делах + 18±2°С и теплого +20±2°С.

Наиболее целесообразным, с точки зрения качества сварных швов, является химический способ обработки поверхности ос­новного металла и проволоки. После химического травления допустимая продолжительность хранения заготовок перед меха­нической зачисткой свариваемых поверхностей составляет не более 120 ч (I и II категории сварных соединений) и 200 ч для соединения III категории.

Детали, прошедшие механическую обработку (шабер, фреза, щетка и др.), поступают на сварку не позднее 3 ч (I категория), 5 ч (II категория) и не более 8 ч для сварных соединений III ка­тегории. Срок хранения проволоки после химического травления не более 8 ч. При хранении проволоки в герметичной упаковке (под вакуумом, в среде инертных газов), ее срок хранения воз­растает до 72 ч.

При отработке технологического процесса сварки конкрет­ного узла необходимо уделять внимание точности сборки заго­товок под сварку и возможности применения сборочно-свароч­ной оснастки.

24.3.2. Механические свойства сварных соединений

Исходя из условий работоспособности, надежности в процессе эксплуатации сварной конструкции разработчик изделия опре­деляет категорию ответственности сварного соединения: I — особо ответственная, II — ответственная и III — неответствен­ная (табл. 24.5).

При оценке степени ответственности сварного элемента сле­дует принимать во внимание, чго в конструкциях со сварными соединениями в наплавленном металле швов могут возникать напряжения двух родов — рабочие и связующие. В связи с этим, к I и II категории сварных соединений следует относить свар­ные соединения, в которых действуют рабочие напряжения, III категория сварных соединений распространяется на сварные со­единения со связующими напряжениями.

Временное сопротивление стыкового сварного соединения с усилением зависит от способа сварки, толщины свариваемого материала и определяется коэффициентом разупрочнения свар­кой основного металла (табл. 24.6).

Наряду с оценкой горячеломкости при сварке для общей оценки свариваемости необходимо располагать данными по работоспособности сварных соединений по отношению к основ­ным металлам при статическом растяжении, повторно статиче­ском и усталостном нагружениях (табл. 24.7, 24.8).

Одним из мероприятий по обеспечению равнопрочности (при сохранении пластических характеристик) сварного соединения при сварке сплавов в нагартованном или термически обрабо­танном состоянии является утолщение кромок в зоне сварки, по­лученное механическим способом обработки или химическим фрезерованием. Что касается толщины зоны утолщения кромок стыкуемых деталей, то она определяется расчетным путем, ис­ходя из условий равнопрочности сварного соединения с ос­новным металлом. Одним из основных рычагов повышения ме­ханических свойств сварных соединений является проковка, прокатка роликами сварного соединения в холодном или теп­лом состоянии. Вышеуказанные технологические операции под­лежат всесторонне проверке с целью определения их влияния на пластичность и коррозионную стойкость сварных соединений.

При сварке сплавов термически упрочняемых возможно под­нять прочность сварного соединения до уровня основного ме­талла последующей (после сварки) термообработкой сварного узла (закалка + искусственное старение). При сварке термиче­ски упрочняемых сплавов искусственное старение сварных со­единений повышает предел выносливости на 15—-20 МПа (табл. 24.8).

+ 0,16 Гц; 3. 4^,= Or/or—коэффициент работоспособности сварного соединения при усталостном нагружении: Л? = 5-107 циклов при п = 47 Гц, 4. Яд = а'Л*— коэффи­циент технологической пластичности сварного соединения при изгибе.

Примечания: 1. аргоиодуговая сварка неплавящимся электродом. Лист толщиной 2 мм. Сварное соединение с усилением и проплавом. Состояние материала: сплав термически иеупрочннемый (отжиг -{- сварка)* сплав термически упрочняемый ( закалка 4- искус­ственное старение + сварка), сплав В92ц (закалка - f - естественное старение -+■ сварка + естественное старение, 3 месяца).

2. при испытании при повышенных температурах время выдержки 30 мин.

3. предел выносливости определяется иа базе Af = 5(M07 циклов при п = 47 Гц.

4. ограниченный предел выносливости определяется на базе N = 20-10я циклов при п = 0,007 — 0,16 Гц.

5. сварочные напряжения и деформации определялись по методике МВТУ.

6. оценка коррозионной стойкости: ОА — весьма стойкие; А — стойкие; Б — удовлетворительная стойкость: Д — пониженная стойкость.

7. в числителе — основной металл, в знаменателе — сварное соединение.

24.3.3. Коррозионная стойкость сварных соединений

В табл. 24.7 приведена общая оценка коррозионной стойкости основного металла и сварных соединений серийных алюминие­вых сплавов. Приведенные данные следует рассматривать как ориентировочные, ибо отдельные виды полуфабрикатов, их тех­нология изготовления, а также условия эксплуатации могут су­щественно оказать влияние на их коррозионную стойкость. Так, например, нагартовка сплава АМгб перед сваркой приводит к уменьшению сопротивляемости межкристаллитной коррозии, особенно в загрязненной атмосфере и морской среде. Для за­щиты от коррозии рекомендуются анодно-оксидные, химические и лакокрасочные покрытия.