Сварка алюминия и его сплавов. Отличаясь малой массой, сравнительно высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, алюминиевые сплавы имеют большую применимость во всех отрас­лях народного хозяйства. Высокая коррозионная стойкость, тепло­проводность и электропроводность во многих случаях делают их труднозаменимыми конструкционными материалами - В сварных конструкциях получили распространение деформируемые алюми­ниевые сплавы, не упрочняемые'термической обработкой (АД, АД 1, АМц, АМгб ц др.), и сплавы, упрочняемые термообработкой (АД31, АД33, 1201, 1420 и др.).

Алюминий обладает способностью активно взаимодействовать с кислородом. Образующийся оксцц алюминия А1203 покрывает поверхность металла прочной и плотной пленкой. Окисление алю­миния при нормальной температуре после достижения предельной толщины пленки практически прекращается. Поэтому пленка об­ладает защитными свойствами. Важнейшей характеристикой плен­ки оксида алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяные пары. Коэффициент теплового расширения пленки почти в 3 раза меньше, чем у алюминия, поэтому при нагреве в ней образуются трещины. При наличии в сплаве легирующих добавок состав пленки может меняться и приобретать более слож­ный состав, включая оксиды этих добавок. Подобные сложные пленки могут быть более рыхлыми, гидроскопичными и не обладать защитными свойствами.

Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050°С), оксидная пленка не расплавляется в процессе сварки и, покрывая металл прочной оболочкой, затрудняет образо­вание общей сварочной ванны. При сварке должны быть приняты меры для разрушения пленки и защиты металла от повторного окисления. Для удаления оксидной пленки при сварке используют

применение флюсов и процесс катодного распыления. Роль флюсов в удалении пленки заключается в их смывающем действии. Катод­ное распыление обусловлено бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами дуги. Далее, алюминий и сплавы склонны к образованию в швах газовых пор и оксидных включений. Поэтому перед сваркой требуется тщательная подго­товка поверхности по удалению старой оксидной пленки.

Присутствие на поверхности металла прочной оксидной пленки сказывается на характере капельного переноса электродного метал­ла при сварке. При наличии окислительной среды размер капель с электрода достигает большой величины и горение дуги протекает неустойчиво. Начиная с определенной плотности тока крупнока­пельный перенос металла электрода сменяется мелкокапельным струйным. Дуга приобретает высокую устойчивость и способность к саморегулированию. Это объясняется тем, что начиная с опреде­ленного значения сварочного тока силы, отрывающие каплю от электрода, превалируют над силами, удерживающими ее. В связи с этим капля отрывается от электрода раньше, чем успевает вырасти до своих конечных размеров. Для устранения оксидных включений в металле швов рекомендуются различные технологические приемы для перемешивания металла сварочной ванны и дробления оксид­ных пленок. Алюминии активно реагирует со всеми газами. Однако при наличии в атмосфере кислорода в первую очередь образуется пленка оксидов, препятствующая дальнейшему обмену с окружаю­щей средой.

Водород в отличие от других газов обладает способностью растворяться в алюминии и при определенных условиях образовы­вать поры в металле шва. Основным источником водорода, раство­ряющегося в сварочной ванне, служит реакция взаимодействия влаги с металлом:

2А1 + ЗН20 = АЬОз + 6Н

При охлаждении растворенный в жидком металле водород в связи с понижением растворимости стремится выделиться из него. Пузырьки выделяющегося водорода, не успевая всплыть из ванны, остаются в металле шва образуя поры. Основной мерой борьбы с пористостью при сварке алюминия является снижение концент­рации растворенного в нем водорода до предела 0,69—0,7 см3/100 г металла. 'Источником водорода, поступающего в зону дути при аргонодуговой сварке, является влага, адсорбированная поверх­ностью свариваемого металла. Количество её определяется состо­янием поверхности металла и зависит от обработки его перед сваркой. Для снижения концентрации водорода в металле швов при сварке алюминия до пределов, исключающих возможность появ­ления в нем пор, рекомендуются следующие меры: применение

обработки поверхности деталей и проволоки перед сваркой: сокра­щение удельной поверхности проволоки, участвующей в образо­вании, металла, путем увеличения диаметра присадочной прово­локи и уменьшения доли участия присадочного металла в обра­зовании шва.

Кристаллическая структура металла шва в большой степени определяет его механические свойства. Чистый алюминий обладает способностью при кристаллизации образовывать в шве круп­нокристаллическую структуру, в связи с чем при сварке алюминия высокой чистоты в металле швов часто образуются трещины. Улуч­шение кристаллической структуры металла швов при сварке алюми­ния и некоторых его сплавов может быть достигнуто модифи­цированием металла при сварке введением в него 0,2—0,25% Ті. Применяемые сварочные проволоки для сварки различных сплавов алюминия установлены ГОСТ 7871—75.

При сварке алюминия и сплавов, не упрочняемых термообра­боткой, в зоне теплового воздействия наблюдаются рост зерна и возможное разупрочнение, вызванное снятием нагартовки для хо­лоднокатаного металла. Интенсивность укрупнения структуры и разупрочнения при сварке может изменяться в зависимости от метода сварки, режимом и величины предшествовавшей нагар­товки. Практика показывает, что сварные соединения, выполнен­ные из этих сплавов, по прочности не уступают прочности основ­ного металла в отожженном состоянии. Из термически неупро'шя- емых сплавов широко распространено применение сплавов системы А1—Mg (табл. 20.1). При сварке сплавов, упрочняемых термообра­боткой, в зонах около шва происходят изменения, существенно снижающие свойства свариваемого металла. Самое опасное изме­нение, вызывающее в большинстве случаев резкое снижение свойств металла и образование трещин, — оплавление границ зерен.

возникает опасность последующей их коррозии, вызванной остатками флюса, не удаленными при сварке угловых швов.

При аргонодуговой сварке вольфра­мовым электродом стыковых соединений без скоса кромок для исключения оксидных включений в металле швов не­обходимо применять подкладки рациональной формы (рис. 20.1). Стрелками показаны направление течения жидкого металла при заполнении канавки и расположение включений оксидов. При сварке на подкладке с канавкой сложного профиля торцовые поверхности кромок при расплавлении листов полностью выводятся в проплав и вероятность образования вклю­чений оксидных пленок снижается. При сварке стыковых соединений в зависимости от толщины свариваемого металла и принятого способа сварки используют различные виды подготовки кромок. Помимо механической обработки кромок свариваемых деталей для придания им необходимой формы, облегчающей вы­полнение соединений, подготовка деталей к сварке включает очистку их поверхностей от загрязнений и оксидов. Загрязнения должны удаляться или со всей поверхности свариваемых деталей, или же только с их кромок на определенной ширине (20—30 мм) вдоль стыка. Для частичного или местного обезжиривания кромки протирают бензином, ацетоном, четыреххлористым углеродом, хорошо растворяющими жировые загрязнения, или обрабатывают в щелочных ваннах. Для удаления поверхностной оксидной пленки применяют механическую обработку — очистку поверхности дета­лей шлифовальной бумагой, шабером или проволочной щеткой, химическое травление деталей в специальных растворах щелочей или кислот.

Обезжиривание и травление проволоки проводят по технологии, принятой для обработки основного металла. Наиболее целесооб­разны для подготовки проволоки два варианта: обезжиривание и травление в щелочных ваннах по технологии, принятой для основ­ного металла; обезжиривание, травление по той же технологии с последующим химическим или электрохимическим полированием полученной поверхности.

Ручная дуговая сварка алюминиевых сплавов может быть вы­полнена электродами ОЗА-1, ОЗА-2 с покрытиями на основе хлористых и фтористых солей. Наилучшие результаты получаются при применении постоянного тока обратной полярности. При сварке на прямой полярности наблюдается очень быстрое плавление электрода. Обычно сварку покрытыми электродами применяют для металла толщиной более 3—4 мм. Концентрированный нагрев дугой способствует глубокому проплавлению основного металла. В связи

с этим при сварке металла толщиной до 6 мм не требуется разделка кромок. При двусторонней сварке без скоса кромок можно сваривать металл толщиной 10—12 мм, а при применении пред­варительного подогрева —до 18—20 мм. При односторонней свар­ке листов толщиной более 6 мм без подогрева рекомендуется подготовка кромок с углом разделки 60—70° и притуплением не менее 1/4 толщины свариваемых листов. Разработан процесс сварки под флюсом алюминия толщиной 10 мм и выше с применением керамического флюса ЖА-64, имеющего небольшую электропро­водность и относительно невысокую гигроскопичность.

Электрошлаковую сварку выполняют со специально разрабо­танными флюсами на основе фтористых и хлористых солей (АН-А301 и др.) пластинчатым электродом. Технология электро- шлаковой сварки принципиально не отличается от известных приемов сварки других металлов. При электрошлаковой сварке сплавов АД1, АМц, АМгб обеспечиваются высокие свойства свар­ных соединении. Прочность металла шва равна 0.8—0,9 прочности основного металла.

При сварке в среде аргона алюминиевых сплавов отпадает необходимость применения флюсов. Это значительно упрощает процесс и делает возможным сварку соединений различных типов. Для защиты при сварке алюминиевых сплавов применяют аргон высшего сорта или смеси аргона с гелием. При сварке на перемен­ном токе удается сохранить высокую стойкость вольфрамового электрода и добиться удаления оксидной пленки на детали.

При сварке вольфрамовым электродом и питании дуги перемен­ным током условия горения дуги в полупериоды разной полярности отличаются. В полупериоды, когда вольфрам является катодом, благодаря мощной термоэлектронной эмиссии ^ооводимость дуго­вого промежутка возрастает, увеличивается сила гока и снижается напряжение дуги. В полупериод, когда катодом становится деталь (холодный катод), проводимость дугового промежутка снижается, уменьшается сила тока дуги и возрастает напряжение. В результате этого синусоида силы тока дуги оказывается несимметричной, что равносильно действию в цепи дуги некоторой постоянной состав­ляющей тока (см. рис. 3.5).

Наличие постоянной составляющей силы тока нежелательно в цепи дуги из-за ухудшения формирования швов. Поэтому в большинстве случаев величину постоянной составляющей силы тока при сварке вольфрамовым электродом стремятся ограничить. Основное преимущество сварки вольфрамовым электродом в среде аргона — высокая устойчивость горения дуги. Благодаря этому про­цесс успешно используют при сварке металла толщиной 0,8—3 мм. Применение импульсной дути для сварки алюминиевых сплавов расширяет возможность сварки неп давящимся электродом. При сварке импульсной дутой на переменной токе удается сваривать

сплавы толщиной 0,2 мм и выше. Стыковые соединения металла толщиной 0,2—1 мм сваривают с применением присадочной про­волоки диаметром 0,6—0,9 мм на стальных подкладках с формирующими канавками. Для питания дуги необходимы специализированные импульсные источники тока. При сварке импульсной дугой алюминиевых сплавов толщиной 0,2—12 мм коробление кромок снижается на 40—60%.

Для сварки вольфрамовым электродом металла большей толщины необходимо повысить стойкость электродов, для чего используют электроды марки ВИ с добавками иттрия. Допустимый сварочный ток для электродов этой марки диаметром 10 мм достигает.800—1000 А. Это определяет возможность сваривать за один проход высокоамперной дугой металл толщиной до 20 мм.

Для сварки металла толщиной менее 0,8 мм разработан процесс микроплазменной сварки на переменном токе, обеспечивающий нормальное катодное распыление и очистку сварочной ванны в полупериоды обратной полярности и достаточную стойкость воль­фрамового электрода. Этот способ позволяет сваривать алюминиевые сплавы толщиной 0,2—2 мм при силе тока 10—100 А. В качестве плазмообразующего газа при микроплазменной сварке используют аргон, а защитного газа — гелий.

Покрытые электроды применяют при ручной дуговой сварке алюминиевых сплавов толщиной более 3 мм. Для более тонкого металла не удается добиться устойчивого горения дуги и мелкока­пельного струйного переноса металла электрода. В связи с недоста­точно высокой жесткостью алюминиевой проволоки сварка проволокой диаметром менее 1,2—1,5 мм затруднена. Устойчивое горение дуги с применением проволоки этих диаметров и обеспе­чением струйного переноса металла оказывается возможным при силе тока выше струйного переноса металла оказывается возмож­ным при силе тока выше 1'30 А, позволяющей сваривать металл толщиной более 4—5 мм. Для питания дуги при сварке плавящимся электродом необходимы источники постоянного тока с жесткой или пологопадающей внешней вольтамперной характеристикой. При сварке на обратной полярности обеспечивается надежное разру­шение оксидной пленки на кромках за счет катодного распыления и нормальное формирование швов.

Преимущества процесса сварки плавящимся электродом - хорошее перемешивание сварочной ванны, меньшая вероятность получения в металле швов крупных оксидных включений, а также высокая производительность, особенно сварки металла большой толщины. Разработан процесс сварки плавящимся электродом с импульсным режимом питания дуги. Под действием импульса сварочного тока происходит ускоренное плавление металла элект­рода и образовавшаяся на его торце жидкая капля сбрасывается и сварочную ванну. При таком процессе есть возможность регу­лировать плавление электрода, задавать определенный размер ка­пель, контролировать время пребывания их в дуге и в конечном итоге задавать ход металлургических реакций при сварке с целью получения требуемого состава и свойств шва. Импульсное изме­нение силы тока оказывает воздействие на сварочную ванн>', спо­собствуя получению более мелкой структуры металла шва, плавных очертаний валиков швов с мелкочешуйчатым строением. Пульсация дуги и перенос присадочного металла в виде отдельных капель дают возможность сварки в различных пространственных положениях. Разработана технология сварки алюминиево­магниевых сплавов сжатой дутой переменного тока. Преимущест­вами этого способа являются значительное сокращение зоны теплового влияния, высокая стабильность процесса и пространст­венная устойчивость дуги.

Применение трехфазной дути при той же стойкости вольфра­мовых электродов позволяет повысить мощность теплового потока в 1,5—2 раза. При трехфазной сварке удается сваривать металл толщиной до 30 мм при сохранении высоких значений механи­ческих характеристик. Для сварки трехфазной дугой требуются специализированные источники и сварочные горелки. Горелки должны быть рассчитаны на длительную работу при силе тока 100—700 А, иметь водяное охлаждение и плавную регулировку электродов по высоте.

Для сварки алюминиевых сплавов деталей больших толшин используется процесс сварки вольфрамовым электродом на прямой полярности в среде гелия. При скорости сварки 5—7 м/ч и силе тока 1000—1200 А без скоса кромок удается сваривать металл тол­щиной более 30 мм. Недостатком процесса является большой расход гелия. Этот недостаток можно уменьшить при использовании про­цесса с применением кольцевого газозашитного потока аргона с дополнительной подачей в зону дуги гелия. Расход защитных газов при этом можно резко уменьшить.

Сварка магниевых сплавов. Магний и его сплавы являются наиболее легкими конструкционными материалами - Плотность магния 1,7 г/см т. е. почти в 1,5 раза меньше плотности алюминия и н 4,5 раза меньше плотности железа, поэтому удельные показатели механических характеристик многих сплавов на основе магния превосходит аналогичные показатели свойств друтих материалов. Наиболее распространенными легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий и цинк.

Отличительной чертой магния и его сплавов является повышен­ная чувствительность к коррозии во многих средах. Это объясняется тем, что оксидная пленка на поверхности металла рыхлая и не обладает высокими защитными свойствами, например оксидная пленка на алюминии. Состав магниевых сплавов приведен в табл. 20.2.

Магний —один из наиболее актин ых по отношению к кисло­роду металлов. В результате его окисления образуется оксид MgO, покрывающий поверхность металла пленкой. Температура плав­ления оксида магния 2800°С, плотность 3,65 г/см3. В связи с высокой температурой плавления оксидная пленка на магниевых сплавах, так же как и при сварке алюминия, затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Оксидная пленка на магниевых сплавах отличается рыхлос­тью и способна удерживать большое количество влаги.

Водород обладает способностью растворяться в магнии в гораздо больших количествах, чем в алюминии. При температуре плавления металла в нем растворяется до 50 см3/100 г металла и резко сни­жается при кристаллизации. В связи с понижением растворимости водорода в жидком металле при охлаждении имеется возможность выделения его в виде пузырьков и образования газовых пор. Мерами снижения пористости при сварке магниевых сплавов является уменьшение поверхности основного и присадочного металлов, участвующих в образовании швов, и применение тщательной обра­ботки поверхности проволоки и свариваемых кромок перед сваркой. При кристаллизации магния в металле шва образуется круп­нокристаллическая структура. Появление эвтектики по границам зерен-в виде сплошных прослоек приводит к образованию горячих трещин. Повышение сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин достигается введением в их состав модификаторов,

При сварке магниевых сплавов, упрочняемых термообработкой, наряду с укрупнением зерна в зоне термического влияния возможен распад твердого раствора и оплавление границ зерен. Это приводит к разупрочнению металла околошовной зоны (до‘0,7—0,9 проч­ности основного металла) и иногда к образованию трещин. В связи с высоким коэффициентом теплового расширения магниевых спла­вов в сварных соединениях возникают остаточные напряжения при сварке, вызывающие коробление конструкций. Деформации могут способствовать возникновению трещин. Для предупреждения трещин и уменьшения деформаций, особенно для толстых деталей, в некоторых случаях рекомендуется сварка с подогревом, а иногда и последующая термообработка для снятия напряжений.

Из всех способов сварки основное значение в настоящее время имеют способы дуговой сварки магниевых сплавов в среде аргони вольфрамовым и плавящимся электродами. При сварке - этими

способами исключается опасность коррозии, вызванной остатками флюсов. Основное и наиболее желательное соединение стыковое. Сварка их производится на подкладках с достаточно глубокими канавками, обеспечивающими удаление оксидных включений в проплав. В связи с недостаточной пластичностью магниевых спла­вов отбортовка кромок даже для металла малых толщин практически не применяется. Встык без скоса кромок рекомендуется сваривать соединения только за один проход при односторонней сварке на прокладках. Двусторонняя сварка стыковых соединений без раз­делки кромок не рекомендуется из-за опасности появления в швах большого количества оксидных включений.

При сварке соединений из металла толщиной более 6—10 мм применяют разделку с односторонним скосом кромок и для металла толщиной более 20 мм при наличии двустороннего подхода — разделку с двусторонним скосом кромок. В последнем случае перед выполнением шва с обратной стороны необходима предварительная разделка корня первого шва.

Непосредственно перед сваркой поверхность кромок сваривае­мых деталей подвергают специальной обработке дія удаления оксидной или защитной пленок и имеющихся загрязнений. Для этой цели поверхность зачищают шабером или стальными щетками или обрабатывают в химических ваннах специального состава.

Для сварки конструкций из магниевых сплавов применяют ручную и автоматическую аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом и автоматическую сварку вольфрамовыми электродами трехфазной дугой в среде аргона первого состава. Сверку выполняют на стальных подкладках с канавками для формирования проплава. С целью разрушения оксидной пленки используют переменный ток.

Ручной и автоматической сваркой вольфрамовым электродом встык без разделки кромок за один проход могут быть сварены листы толщиной 2—6 мм. Для металла толщиной более 5 мм может быть использована дуговая сварка плавящимся электродом со струйным переносом электронного металла. Процесс ведется на постоянном токе обратной полярности. Сварка плавящимся электродом особен­но эффективна для соединения металла большой толщины. При сварке встык без скоса кромок за один проход плавящимся элект­родом могуч быть сварены листы толщиной 5—10 мм.