Сварка магния и его сплавов. Магний в чистом виде из-за малой коррозионной стойкости и прочности для изготовления конструк­ций непригоден. В технике для этой цели используют сплавы

магния, так как легирование его некоторыми элементами заметно повышает его механические свойства без увеличения веса.

Основные легирующие элементы: марганец, алюминий, цинк и добавки — цирконий, церий. Предел прочности сплавов марок MAI, МА8, легированных в основном марганцем (1,3 -5- 2,5%), достигает 21—23 кгс/мм2 при относительном удлинении 10% и условном пределе текучести 9—11 кгс/мм2. Предел прочности сплавов марок МА2, МА21, М3, М5, более сложнолегированных (до 7—9% А1, до 1,5% Zn, до 0,8% Мп), достигает 26—30 кгс/мм2, предел текучести 14—15 кгс/мм2, относительное удлинение 5—8%. Прокат из сплавов этого типа используют в отожженном со­стоянии.

Сплавы магния МЛ4, МЛ5 и др. (буква Л указывает на то, что сплавы литейные) используют для получения отливок. Сваркой устраняют дефекты литья. Эти сплавы имеют повышенную склон­ность к образованию в швах горячих трещин, пор и усадочных рых - лот. Сплавы на основе магния активно окисляются на воздухе. Пленка собственных окислов магния на поверхности металла рых­лая и непрочная. Поэтому поверхность магниевых сплавов искус­ственно защищают пленкой из солей хромовой кислоты. По ука­занной причине перед сваркой с кромок и прилегающей поверх­ности основного металла (на ширину до 30 мм) травлением или механическим путем тщательно удаляют защитную пленку, окислы и другие загрязнения. После сварки на поверхность сварного соединения вновь наносят защитную пленку.

Сплавы магния находят применение в авиастроении, ракето­строении, судостроении, для изготовления различных емкостей под керосин, минеральные масла, для изготовления различных кассет и т. и.

Трудности сварки магния связаны со следующими его особен­ностями.

1. Образующаяся при сварке тугоплавкая пленка окисла магния MgO (7’пл = 2500° С) затрудняет процесс сварки. Для ее разрушения необходимо применять флюс либо использовать эффект катодного распыления при сварке вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов (ток переменный).

2. Склонность к появлению кристаллизационных трещин свя­зана с возможностью образования легкоплавких эвтектик: MgCu (Гпл = 485° С); MgAl (7ПЛ = 436° С); MgNi (Гпл = 508° С). Поэтому начало и конец сварных швов необходимо располагать на выводных планках. Последовательность сварки: после сварки длинных швов и швов с большим сечением следует сваривать более короткие швы и швы с меньшим сечением.

3. Склонность сплавов, особенно содержащих марганец, к росту зерна металла в зоне термического влияния не допускает значительный перегрев металла (например, при скоплении в одном место сварных швов, при многослойной сварке без перерыва для охлаждения металла и т. п.).

4. Повышенное поглощение активных газов жидким металлом порождает склонность его к образованию пор, что также требует надежной зоны сварки от окружающего воздуха.

5. Высокий коэффициент линейного расширения магниевых сплавов приводит к значительному короблению сварных конструк­ций.

Основной способ сварки магниевых сплавов — дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов. Такие способы сварки, как газовая, угольным и металлическим электродом с покрытием, при которых обязательно применение фториди о-хлоридпых флюсов различных составов (например, флюс состава 34% KF и 66% ЫС1 или состава 40% Lid, 20% CaF2 и 40% NaCl), в настоящее время в промышленности применяют редко. Остатки флюсов и шлаков на поверхности швов вызывают коррозию магниевых сплавов, поэтому но окончании сварки их остатки необходимо смывать горячей водой.

Сварку в среде инертных газов (аргон высшего и первого сор­тов, гелий повышенной чистоты) вольфрамовым лантапированным или иттрнрованпым электродом выполняют на переменном токе. Присадочная проволока по составу близка к основному металлу либо имеет примеси (например, церий), обеспечивающие более пластичный металл шва.

Сварка осуществима для любых видов соединений. При сборке необходима тщательная подгонка кромок. Металл толщиной до 3 мм сваривают без скоса кромок, при толщине листов 3—6 мм необходима V-образная разделка и при толщине более 6 мм — Х-образная с притуплением 1,5—2 мм.

Для предупреждения попадания в металл окисной пленки с обратной стороны кромок сварку следует вести с полным проплав­лением кромок, на подкладках из металлов с малой теплопровод­ностью (обычно из высоколегированной стали). Они также служат и для защиты обратной стороны шва. С этой точки зрения нахлес - точные, угловые и тавровые соединения менее технологичны.

Для ручной сварки металла толщиной до 3 мм применяют воль­фрамовый электрод диаметром 2—3 мм, ток /св = (30 40)/dw

при расходе аргона 7—9 л/мин. Автоматическая сварка возможна для металла толщиной от 1 мм п выше вольфрамовым электродом диаметром 2—6 мм на сварочном токе /св = (40 ч - 75) dv при рас­ходе аргона 6—10 л/мин. Диаметр присадочного прутка 1,5— 3 мм. Для уменьшения перегрева следует вести сварку на повы­шенной скорости.

Длину дуги поддерживают минимальной (1,0—1,5 мм), так как в этом случае обеспечивается энергичное разрушение окисной пленки за счет катодного распыления и улучшается защита зоны сварки инертным газом. Основной и присадочный металлы перед сваркой должны быть тщательно очищены от окисной пленки и загрязнений механическим или химическим способом. При аргоно­дуговой сварке прочность сварного соединения но сравнению

с прочностью основного металла достигает 85—90%, при дуговой сварке угольным и металлическим электродом 70—80% и при газо­вой только 60—75%.

Сварка алюминия и его сплавов. В сварных конструкциях используют чистый алюминий и его сплавы (табл. 100). Сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, применяемые в виде проката, поковок и т. п., и литейные, применяемые для отли­вок. Сварку алюминиевых литейных сплавов (обозначение АЛ) используют при исправлении дефектов литья. Деформируемые сплавы разделяют на нетермоупрочняемые (система легирования А1—Мп марки АМц, А1—Mg марки АМг) и термоупрочняемые более сложной системы легировапия (А1—Mg—Си; А1—Zn—Mg; А1— Si—Mg). Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожжен­ном состоянии и поэтому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в зоне термического влияния.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпадения интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется (прочность сварного соединения в этой зоне составляет 60—70% прочности основного металла). Поэтому применение сплавов этой группы для сварных конструкций нецелесообразно. Если после завершения сваркц возможно осуществить двойную термообработку (закалку и искус­ственное старение) для восстановления исходных свойств металла в разупрочненном металле зоны термического влияния, применение их для сварных конструкций целесообразно. Эффект естественного старения недостаточен для полного восстановления исходных свойств металла в этой зоне.

Трудности сварки алюминия и его сплавов следующие.

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла А1203 (Тп31 — 2050° С) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединения и способствует загряз­нению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки следует очищать поверхности кромок и приле­гающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла (в связи с большой поверхностью и относи­тельно малым объемом), травлением или механическим путем.

Окисную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо применяя флюсы, которые обеспе­чивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение. Так, например, при использовании флюсов состава 50% КС1; 15% NaCl; 35% Na3AlF2 происходит разрушение А1203 по реакции

А1203 + 6КС1 = 2А1С1з| + ЗК20

и растворение А1203 в криолите Na3AlF2 с образованием легко­плавкого шлака (NaCl снижает температуру плавления криолита). Криолит не только растворяет А1203, но, изменяя поверхностное натяжение металла, способствует образованию мелкокапельного

12 А. И. Акулов и др.

переноса электродного металла. Остатки флюса и шлака (едкие щелочи) способствуют коррозии алюминии. Поэтому при приме­нении флюсов и покрытых электродов после сварки необходимо смывать остатки флюса и шлаки горячей водой.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах (рис. 158, а) может привести к разрушению (проваливанию) твер­дого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать через корень шва. Размеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически не меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожо­гов при однослойной сварке или сварке первых слоев многопроход­ных швов на большой погонной энергии необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости сплав имеет повышен­ную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью грузов, а также пнев­мо - или гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой тепло­проводности алюминия приспособления следует изготовлять из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали II т. п.).

4. Необходима самая тщательная химическая очистка свароч­ной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свари­ваемых кромок, так как сварку осложняет не только окисная пленка. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании

возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Водород, растворенный в жидком металле (рис. 158, б), должен в количестве 90—95% своего объема выделиться из металла в мо­мент его затвердевания. Этому препятствует пленка тугоплавких окислов и низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии.

Поры образуются преимущественно в металле шва; часто наб­людают поры у линии сплавления в связи с диффузией водорода пз основного металла под действием термического цикла сварки. Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150— 250° С при сварке толстого металла замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости. Наибольшей склонностью к порам обладают сплавы типа АМг.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необхо­димо применение мощных источников теплоты. С этой точки зре­ния в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120—150° С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

(3. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен легкоплавких эвтектик, а также развитием зна­чительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%).

Легкоплавкая эвтектика на основе кремния (Тпл = 577° С) приводит к появлению трещин, если содержание кремния невелико (до 0,5%); при содержании кремния свыше 4—5% образующаяся эвтектика «залечивает» трещины. При обычном содержании крем­ния (0,2—0,5%) в металл шва вводят железо (Fe^Si), что при­водит к связыванию кремния в тройное соединение Fe—Si—А1 входящей в состав тугоплавкой перитектики. Это препятствует растворению кремния в жидком ликвате.

При сварке сплавов системы А1—Zn—Mg возможно замедлен­ное разрушение — образование холодных трещин через некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напря­жений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

Алюминий и его сплавы можно сваривать многими способами дуговой сварки, угольным электродом, металлическим покрытым электродом, плавящимся электродом по слою флюса, вольфрамо­вым и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов и электрошлаковой сваркой. Наиболее важное значение в настоя­щее время имеет ручная и механизированная сварка в инертных газах.

В среде инертных газов сварку выполняют неплавящимся (вольфрамовым) и плавящимся электродами. Вольфрамовые элект­роды лантанированные или иттрированные. Инертные газыз аргон 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 10157—73, гелий повышенной чистоты и смесь аргона с гелием. Сварка вольфрамовым электро­
дом диаметром 2—6 мм целесообразна для металла толщиной до 12 мм. Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алюминия — проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа АМг — проволоки той же марки, но с увеличенным (на 1—1,5%) содержанием магния для компен­сации его угара. Диаметр присадочных проволок 2—5 мм.

Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом ведут на переменном токе на установках типа УДГ-300, УДГ-500, при расходе аргона 6—15 л/мин. Сварку можно выполнять не только в аргоне, но и в гелии при расходе гелия в 1,8—2,2 раза выше, чем аргона. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15—20 В,

при сварке в гелпи (табл. 101) 25—30 В.

При толщине листов до 3 мм сварку можно вести за один проход на подкладке, металл толщиной 4—6 млі мож­но сваривать без скоса кромок за два про­хода с двух сторон. При толщине металла свыше 6 млі необходи­ма V-образная раздел­ка и увеличение числа проходов до четырех (6 = 8 - ь 15 мм). Возможна также Х-образ - ная разделка. Сварка вольфрамовым злектродолі легко механи­зируется установкой горелки на каретку или механизированной подачей присадочной проволоки, как это сделано в специализи­рованном автомате для сварки вольфралювым злектродолі типа АД СВ-2.

Производительность сварки вольфралювым электродом дшжно повысить в 3—5 раз, если использовать трехфазную дугу. Это повышает мощность источника и позволяет за один проход (на подкладке) сваривать металл толщиной до 30 мм (рис. 159, я). В специальной горелке с увеличенными размерами сопла 1 рас­положены два вольфрамовых электрода 2 и 3. В качестве защит­ных газов используют аргон или смесь аргона и гелия. Электроды и изделие 4 подключают к трехфазному трансформатору (либо используют два однофазных трансфорліатора).

Совокупность трех дуг — двух зависимых (горящих между электродами и изделием) и одной независимой (горящей между вольфрамовыми электродами) позволяет нагревать ліеталл непре­рывно, так как постоянно существует одна из разновидностей дуг. При ручной сварке металла толщиной 5—6 мм используют вольфра­мовые электроды диаметром 1,5—3 мм. Сила сварочного тока /сп = 40(1 tv; диаметр присадочной проволоки 2—3 мм; скорость сварки 8—12 м/ч.

Процесс легко механизируется; для этого вида сварки сущест­вует специализированный автомат АДТГ-600. Толщина сваривае­мого за один проход металла 8—30 мм (рис. 159, б); диаметр вольф­рамовых электродов 8—10 мм; сила сварочного тока /ев = 00 - ь -4- 65бу; диаметр присадочной проволоки 2—2,5 мм; скорость сварки от 30 м/ч (6 = 8 мм) до 4 м/ч (6 = 30 мм). Сварка вольфра­мовым электродом позволяет получить соединения наиболее высокого качества.

Сварка плавящимся электродом возможна в чистом аргоне, либо в смеси из аргона и гелия (до 70% Не) на постоянном токе обратной полярности проволокой диаметром 1,5—2,5 мм (табл. 102). Разделка кромок V-образная и Х-образная с углом раскрытия 70—90°, либо рюмкообразная с углом раскрытия 30°; притупление 6 мм. Такое раскрытие кромок необходимо для размещения в раз­делке наконечника горелки (рис. 160, а). Порядок заполнения разделки показан на рис. 160, б. Угловые швы свариваются про­волокой диаметром 1,5—2 мм при силе сварочного тока 200—300 А, напряжении дуги 16—24 В, расходе аргона до 15 л/мин.

Рис. 160. Сварка толстолистовых алюминиевых сплавов плавя­щимся электродом

Тол­ щина метал­ ла, мм	Тип разделки	Число про­ ходов	Дна- метр элек­ трода, мм	Первый проход	Последующие проходы
Сила тока, А	На­ пря­ жение, В	Ско­ рость свар­ ки, м/ч	Сила тока, А	На­ пря­ жение, В	Ско­ рость свар- КЧ. М;Ч
10		2	2	250—300	22—24	20—25	370—390	28—30	20
15	V-образпый	4	2	250—300	24—26	20—25	370—390	28 -30	20
25	То же	8	2,5	400 440	26—28	40—45	400—440	27—29	15—20
40	X-образный	20	2,0	280	25—27	35	370—390	27—29	27
50	То же	15	2,5	400	24—26	16	420—440	26—28	23

Примечание. Расход аргона 15—20 л/мин.

Скорость сварки определяется сечением шва и может достигать 30—40 м/ч. Хотя для сварки используют стандартное оборудо­вание, необходимо обеспечить скорость подачи проволоки до 400 м/ч. При использовании газовой смеси из 30% Аг и 70% Не удается за один проход (па подкладке) сваривать металл толщиной до 16 мм, за два прохода — до 30 мм, так как при этом составе смеси увеличивается и ширина и глубина провара (табл. 103). В этом случае форма шва приобретает более благоприятную форму (рис. 160, в).

Таблица 103. Рекомендуемые режимы сварки технического алюминия плавящимся электродом в смеси газов Тол­ щина метал­ ла, мм Тип соединения Элементы разделки Дна- метр прово­ локи, мм Сила тока, А Напря­ жение, В Ско­ рость сварки, м/ч Скорость подачи проволо­ки, м/ч 16 Без скоса Без 2,5—3 450—500 27—32 12—22 160—230 16 односторонний Без скоса зазора То же 2,5—3 380—430 28—32 12—22 140—210 22 двусторонний То же » 3,0 420—470 30—33 12—18 210—250 22—30 Х-образиая а = 0. 4.0 480—530 33—35 12—16 170—220 разделка дву- а = 60°, сторонний /)—18 мм Примечание. Расход аргона 15—20 л/мин, гелия 30—40 л/мин.

Механизированная сварка плавящимся электродом может быть выполнена с использованием фторидно-хлоридных флюсов марок AII-A1 и АН-А4. Флюс марки АН-А1 используют для сварки технического алюминия, флюс марки АН-А4, не содержащий NaCl, — для алюминиево-магниевых сплавов. Для сплавов этого типа наличие NaCl во флюсе недопустимо, так как за счет маг-

ния п алюминия из флюса восста­навливается натрии; он попадает в шов, в результате в металле возникает пористость и снижается пластичность (б, ф).

Механизированную сварку ли­стов ведут по слою флюса (рис. 161), так как даже нерас­плавленный флюс обладает боль­шой электропроводностью, шун­тирует дугу и нарушает ста­бильность процесса. Толщина и ширина слоя насыпаемого флюса зависят от толщины свариваемого металла (обычно 10—16 мм). Возможна сварка одиночным и сдвоенным электродом на посто­янном токе обратной полярности. С обратной стороны шва для предотвращения протеков жидкого металла необходима сталь­ная формирующая подкладка (табл. 104).

Таблица І0-І. Рекомендации к выбору режимов однопроходной сварки по слою флюса одиночным электродом на формирующей подкладке Толщи­на ме­талла, мм Диа­ метр элек­ тродной прово­ локи, мм Плот­ ность тока, А/мм* Напря­ жение ДУГИ, В Ско­ рость сварки, м/ч Толщи­на ме­талла, мм Диаметр элек­ тродной прово­ локи, мм Плот­ность тока, А/мм* Напря­ жение дуги, в Ско­ рость свар­ ки, м/ч 4 1.0 130—150 27—30 24—26 16 2,5 75—90 38—40 16—17 8 1,5 100—120 29—32 20—22 20 3,0 70—75 39—41 14—15 12 2,0 100—110 35—37 18—19 25 3,5—4,0 30—40 40—42 12—13

Из-за малой жесткости проволоки, колебания ее конца откло­нения от оси шва могут привести к непроварам. В этом случае болеее благоприятные результаты дает сварка сдвоенным элек­тродом, так как увеличиваются размеры сварочной ванны и время пребывания металла в жидком состоянии, а следовательно, улуч­шается дегазация и уменьшается пористость. Автоматы типа ТС-17МА, приспособленные для сварки алюминия, имеют доза­торы флюса и водоохлаждаемые мундштуки. В последние годы разработаны флюсы, при использовании которых дуга горит под слоем флюса.

С использованием флюсов марок АН-А301 и АН-А302 в ряде случаев осуществляют електрошлаковую сварку алюминия и алю­миниевых сплавов толщиной 50—250 мм на переменном токе пластинчатым электродом или плавящимся мундуштуком. Проч­ность соединений не менее 80—90% прочности основного металла.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применяют при толщине металла свыше 4 мм, сварку ведут на постоянном токе обратной полярности, как правило, без поперечных коле­баний.

При сварке технически чистого алюминия и сплавов АМц металлический стержень электрода изготовляют из проволок состава, близкого к составу основного металла. Для сплавов типа АМг следует применять проволоку с повышенным содержа­нием магния (1,5—2%) для компенсации его угара при сварке. Основу покрытия электродов составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия.

При толщине металла свыше 10 мм необходима V-образная разделка кромок с углом раскрытия 60° и притуплением 1—2 мм. При сварке алюминия необходим предварительный подогрев металла до температуры 100—200° С (особенно в начале шва). Диаметр электродов 4—8 мм; сила сварочного тока /св = (454-55)4,.

Ручную дуговую сварку угольным электродом используют только для неответственных конструкций (в основном для алю­миния). Сварочный ток прямой полярности. Диаметр угольного электрода dy = 10-е20 мм; сила сварочного тока / = (20-е25)г2у; напряжение 25—35 В. Прпсадочный пруток из алюминия марки А1 или сплава марки АК5 (с кремнием, уменьшающим опасность кристаллизационных трещин) диаметром 2—5 мм. На присадоч­ный пруток предварительно наносят слой флюса многократным окунанием прутка в водный раствор флюса подходящего состава (смеси фторидно-хлоридных солей) или флюс в виде пасты нано - * сят на свариваемые кромки.