По содержанию в земной коре алюминий является самым распрост­раненным металлом. Массовая доля его составляет около 8,8, превышая содержание железа примерно в 1,7 раза. Применение алюминия и осо­бенно его сплавов весьма распространено в современной промышленно­сти. Алюминий имеет специфические теплофизические свойства: он об­ладает высокой теплоемкостью, теплопроводностью и скрытой теплотой плавления при относительно низкой (-680 °С) температуре плавления. Он немагнитен, обладает высокой электрической проводимостью и в чи­стом виде весьма пластичен при относительно низкой прочности и ма­лой плотности (2,7 г/см{).

Эти свойства ограничивают применение чистого алюминия как конструкционного материала. В основном он используется для нужд электротехнической промышленности (провода, шинопроводы и т. д.), иногда - пищевой и химической промышленности, где используется высокая коррозионная стойкость металла в различных средах. Как кон­струкционный материал применяются сплавы алюминия, которые можно подразделить на литейные и деформируемые.

В зависимости от системы легирования эти сплавы могут быть от­несены к сплавам, не упрочняемым термообработкой (алюминиево-мар­ганцевые сплавы типа АМц и алюминиево-магниевые сплавы АМгЗ, АМгб, АМг61), и термически упрочняемым сплавам нескольких групп (дюральалюмины системы Al-Cu-Mg-Mn типа Діб, Д19, ВАДІ, ВД17, М40, Д18), авиали системы (Al-Mg-Si типа АВ), а также других систем легирования (АД31, АДЗЗ, АД35, АК6, АК8).

Сварка термически неупрочняемых сплавов особых трудностей не вызывает, прочность сварного соединения составляет ~0,95 от прочно­сти основного металла. Современные сплавы системы Al-Mg 1561 и 1575 имеют предел текучести соответственно 180...200 и 300 МПа. Полуфаб­рикаты из этих сплавов поставляются в виде листов, профилей и пане­лей. Их высокая прочность при малом удельном весе сплава по сравне­нию со сталями позволяет снизить массу конструкции в 1,25-1,5 раза при хорошей коррозионной стойкости в морской воде.

Термоупрочняемые сплавы имеют прочность значительно более высокую, нежели сплавы первой группы. Конкретные значения проч­ности определяются системой легирования и типом термообработки. Так, для сплава Д20 после закалки и старения прочность ав достигает 430 МПа, а у сплавов марки В93 она еще выше. Сварка металла в термо­упрочненном состоянии приводит к его разупрочнению, что понижает прочность соединения на 30...35%. Последующая термообработка в принципе может почти полностью восстановить свойства соединения, но она технически трудновыполнима для габаритных конструкций. Сплавы этой группы имеют низкую коррозионную стойкость в морс­кой воде и в судостроении не применяются.

Термически неупрочняемые сплавы марок 1561 и 1575 имеют широ­кое применение в судостроении для надстроек крупногабаритных судов, корпусов судов с динамическими принципами поддержания, корпусов малых судов различных классов. Этому в немалой степени способствует высокая коррозионная стойкость сплавов этой группы в морской воде и туманах и их хорошая технологичность.

Причиной высокой коррозионной стойкости, как уже было сказано, служит пленка окислов А12Ог покрывающая поверхность металла и имеющая высокий электродный потенциал. С другой стороны, эта же пленка, имеющая температуру плавления, в три раза превышающую

температуру плавления металла (-2050 °С), затрудняет его плавление при сварке и формировании металла шва.

Кислород растворяется в алюминии в ничтожно малых количе­ствах, но образует с ним устойчивый окисел А12Ог При повышении температуры до 700 °С эта пленка надежно защищает металл от даль­нейшего окисления. Благодаря высокому сродству алюминия к кис­лороду, пленка образуется на его поверхности уже при комнатной тем­пературе (аА1203). После расплавления металла на его поверхности образуется более плотная окисная пленка другой модификации (уА1203). С ростом температуры толщина пленки а А1203 увеличивает­ся при одновременном уменьшении ее плотности; пленка становится рыхлой, и ее защитная способность уменьшается. Оставаясь неразру­шенной на поверхности расплавленного металла, пленка препятству­ет его сплавлению, ухудшая формирование шва и засоряя металл шва окислами. При увеличении температуры во времени наблюдается рост толщины пленки. Так, при комнатной температуре толщина пленки составляет 0,001...0,0005 мкм, а с нагревом до температуры плавления она увеличивается до 0,2 мкм.

Рост толщины пленки наблюдается и при комнатной температуре во времени. За три месяца хранения на открытом воздухе толщина плен­ки достигает 7-Ю 3 мкм, увеличение срока хранения приводит к даль­нейшему росту толщины пленки.

Пленка аА1203 плотно сцеплена с поверхностью металла. Удаление ее сопряжено со значительными трудностями (особенно если учесть, что ее рост начинается сразу после зачистки). Поэтому наличие пленки является одним из серьезных затруднений при сварке алюминия и его сплавов. Удаление ее во время процесса сварки может производиться двумя путями.

Первый - металлургический. Восстановление алюминия из окислов практически невозможно из-за их химической прочности; не удается также связать А1203 в какое-либо прочное соединение. Поэтому действие флюсов для сварки алюминия основано на процессах растворения и смывания диспергированной окисной пленки расплавленным флюсом. Основу таких флюсов составляют смеси хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов с добавкой фтористых соединений. Эти же соединения входят в состав обмазки покрытых электродов.

Вторым путем является процесс так называемого катодного распыления. Он особенно характерен при сварке в инертных газах вольфрамовыми электродами. Этот процесс имеет место при сварке на постоянном токе обратной полярности, а на переменном токе - в те полупериоды, когда изделие является катодом. Сущность процесса

18 Заказ № 1398

заключается в том, что, разогнавшись до больших скоростей в прика - тодной зоне дуги, положительно заряженные ионы из столба дуги уда­ряются о поверхность катода (зеркало ванны жидкого металла, покры­тое пленкой), разрушая пленку. Дроблению этой пленки, по всей вероятности, способствуют и электроны, имитируемые катодом под действием электрического поля дуги. При сварке катодной очистке подвергается и полоска основного металла в районе шва, включая за­зор между свариваемыми кромками. Размеры зоны катодной очистки зависят от силы тока и скорости сварки, и в общем случае по площади зона очистки больше площади ванны (особенно интенсивно этот про­цесс идет у пары W-A1). Кроме того, технология обязательно должна предусматривать предварительную (перед сваркой) зачистку кромок от окисной пленки либо путем травления (для мелких деталей), либо механической зачисткой проволочными щетками непосредственно перед сваркой.

Окисная пленка обладает еще одной особенностью, влияющей на свариваемость алюминия. Она способна адсорбировать газы (в основ­ном водяные пары, удерживаемые в ней вплоть до температуры плав­ления металла). Диссоциируя в дуге на кислород и водород, молекула воды приводит к насыщению жидкого металла водородом (рис. 9.4).

При охлаждении металла в момент кристаллизации растворимость водорода скачкообразно снижается, и водород стремится выделиться из металла. Образуются пузырьки газа, всплывающие в кристаллизую­щемся металле шва; те из них, которые не успевают всплыть до полного

затвердевания металла, образуют пористость. Пузырек газа, возникший в расплавленном металле, может существовать лишь тогда, когда дав­ление внутри него равно давлению окружающей среды или больше этого давления.

Существует определенное соотношение между концентрацией ра­створенного в металле атомного водорода и давлением молекулярного водорода в пузырьке. Можно считать, что зарождение газовых пузырь­ков при небольшом пересыщении металла водородом носит гетероген­ный характер, т. е. происходит на частичках различных взвесей, не сма­чиваемых расплавом. Такие частички всегда присутствуют в металле сварочной ванны.

По результатам некоторых работ, следует считать, что превышение величины [Н] 0,7 см3/100 г уже приводит к образованию газовых пу­зырьков. Поэтому необходимо применять технологические меры, умень­шающие количество растворенного в жидком металле водорода. Вели­ко также влияние состояния поверхности основного металла и сварочной проволоки на количество водорода в металле сварочной ван­ны и пористость металла шва. Основной вклад в этот процесс вносит поверхность сварочной проволоки, поэтому способ ее подготовки име­ет большое значение.

Сварочная проволока подлежит либо травлению в растворе кис­лот, либо так называемому электрополированию. Последний способ дает наиболее ровную поверхность, что препятствует сорбции влаги на поверхности проволоки, уменьшению содержания водорода в ме­талле шва и, как следствие, уменьшению пористости при сварке. После электрополирования тонкая проволока для полуавтоматической свар­ки должна сразу быть намотана в стандартные кассеты рядовым спосо­бом; кассеты после намотки герметизируются во избежание нараста­ния окислов алюминия на поверхность проволоки из газов открытой атмосферы.

При сварке алюминиевых сплавов в сварных соединениях могут воз­никать как горячие, так и холодные трещины. Особо чистый алюминий (АВ000-АВ00) не склонен к образованию горячих трещин. Однако по мере увеличения содержания кремния в металле стойкость металла к образова­нию горячих трещин начинает уменьшаться. На эту характеристику ока­зывает влияние и содержание железа в сплаве.

Так, при содержании в металле Si не более 0,35% и при поддержа­нии соотношения Fe:Si > 0,5 горячие трещины не образуются. Чувстви­тельность сплавов к образованию горячих трещин при сварке зависит не только от содержания примесей, но и от системы легирования спла­ва. Так, при сварке тонких листов из сплава А1-Мп образование горя­чих трещин не наблюдается; с увеличением свариваемой толщины их образование начинает зависеть от соотношения Fe:Si. Сплавы систе­мы легирования Al-Mg мало склонны к образованию горячих трещин. Этому способствуют малые добавки титана, обладающего модифици­рующим действием. Сплавы системы Al-Si (при содержании Si в диа­пазоне 4... 12%) значительно снижают температуру срастания первич­ных дендритов при кристаллизации шва, что уменьшает возможность возникновения горячих трещин. Термически упрочняемые сплавы си­стемы Al-Mg-Si (марки АВ, АК6, АК8) обладают повышенной склон­ностью к образованию горячих трещин. Это объясняется наличием лег­коплавкой эвтектики Al-Mg-Mg2Si и двойных эвтектик Fe-Mg2Si и Al-Si, расширяющих температурный интервал твердожидкого состо­яния. Здесь целесообразно применять присадки с содержанием крем­ния 4...6%. Этой же цели служит легирование присадки и усложнение ее химического состав. Однако при этом увеличивается линейная усад­ка металла сварного шва, что наряду с расширением температурного интервала твердожидкого состояния способствует образованию тре­щин.

Весьма склонны к образованию горячих трещин в металле шва спла­вы систем Al-Cu-Mg-Mn и Al-Cu-Mg-Mn-Si. Повысить стойкость свар­ных соединений из этих сплавов помогают снижение содержания же­леза; добавки в сплав титана; применение присадок, увеличивающих, с одной стороны, количество легкоплавких эвтектик в металле шва (типа СвАК5), а с другой - содержание никеля, который связывает медь в ин - терметаллид, что сужает температурный интервал твердожидкого состояния.

В термически упрочняемых сплавах под влиянием термического цикла сварки происходят структурные превращения, что ухудшает проч­ностные и пластические характеристики металла и способствует появ­лению холодных трещин. При сварке отожженного сплава рядом с ли­нией сплавления из-за высоких скоростей охлаждения металл фиксируется в неравновесном состоянии, что приводит к его последу­ющему старению и упрочнению.

С целью уменьшения размеров опасных зон (Г = 550...600 °С) необхо­димо применять высококонцентрированные источники теплоты или вво­дить искусственное охлаждение свариваемого металла. Весьма перспек­тивен, с точки зрения свариваемости, сплав системы Al-Zn-Mg. Сплавы этой группы склонны к самозакаливанию и упрочнению при последую­щем старении. Их свойства в литом состоянии достаточно высоки, крис­таллизационные трещины отсутствуют.