ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

Назад: 5.1. Технология сварки алюминиевых сплавов

5.2. Технология сварки магниевых сплавов

Характеристика сплавов

Чистый магний обладает относительно невысокой прочностью (8 ÷ 11 кгс/мм²) и малопластичен. Это объясняется тем, что для его гексагональной решетки при нормальной температуре имеется одна система плоскостей скольжения. При температуре выше 200 ÷ 300 ⁰С пластичность магния увеличивается в связи с появлением других плоскостей скольжения. Как конструкционный материал, основное значение имеют сплавы магния, отличающееся более высокой прочностью при сохранении малого веса.

Плотность магния 1,73 г/см³, т. е. почти в 1,5 раза меньше плотности алюминия и в 4,5 раза меньше плотности железа, поэтому удельные показатели свойств многих сплавов на основе магния превосходят аналогичные показатели свойств сталей повышенной прочности, высокопрочных алюминиевых сплавов и даже некоторых сплавов на основе титана.

Наиболее распространенные легирующие элементы, упрочняющие твердый раствор магниевых сплавов, алюминий и цинк. Однако их упрочняющее действие сохраняется до температур 150 ÷ 200 ⁰С. При этих температурах наиболее сильно повышают жаропрочные свойства магния ниодим и в меньшей степени торий. Упрочняющее действие последнего в большей степени проявляется при температурах 250 ÷ 300 ⁰С.

Отличительная черта магния и его сплавов - повышенная чувствительность к коррозии во многих средах. Это объясняется тем, что окисная пленка на поверхности магния рыхлая и не обладает высокими защитными свойствами, как, например, окисная пленка на алюминии.

Наилучшим способом защиты от коррозии деталей из магниевых сплавов считается образование на их поверхности плотных окисных пленок или специальных лакокрасочных покрытий. С целью уплотнения окисных пленок в состав магниевых сплавов часто вводят добавки бериллия.

При кристаллизации магний склонен образовывать грубую крупнокристаллическую структуру. Для измельчения зерна и повышения механических свойств магниевых сплавов в состав многих из них вводят модификаторы, например цирконий или церий.

Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, можно разделить на две основные группы: деформируемые и литейные. По чувствительности к термообработке магниевые сплавы разделяются на термически упрочняемые и не упрочняемые термообработкой.

По основным свойствам и областям применения могут быть выделены три группы магниевых сплавов: общего назначения, высокопрочные, жаропрочные.

По системе легирования может быть выделено несколько групп деформируемых сплавов:

К системе Mg-Мn можно отнести сплав МА-1, содержащий 1,8 ÷ 2,5 % Мn, и сплав МА-8, легированный дополнительно 0,2 % Се с целью измельчения зерна и повышения механических свойств. Сплавы этой системы не упрочняются термообработкой и относительно хорошо свариваются.

К системе Mg-А1-Zn относятся сплавы МА-2, МА-2-1, МА-2-1ПЧ, МА-5. Сплав МА-2 содержит 3 ÷ 4 % А1, 0,2 ÷ 0,8 % Zn, 0,15 ÷ 0,50 % Мn. Сплав МА-2-1 отличается большей степенью легирования, более технологичен и хорошо сваривается. Сплав МА-2-1ПЧ изготавливают из компонентов высокой чистоты; он содержит меньше - примесей, более пластичен и имеет более высокую коррозионную стойкость. Сплав МА-5 содержит 7,8 ÷ 9,2 % А1, отличается большей прочностью. В связи с ограниченным содержанием легирующих элементов (до 8 % Аl) сплавы этой группы не упрочняются термообработкой. Прочность этих сплавов не более 20 ÷ 27 кгс/мм², а относительное удлинение – 8 ÷ 15 %.

К системе Mg-Zn-Zr относится сплав МА-14 (ВМ65-1). Он содержит 5-6% Zn и 0,3-0,9% Zr, отличается высокими показателями механических свойств благодаря упрочняющему действию цинка и модифицирующему влиянию циркония. Сплавы упрочняются термообработкой (старение при 160 ÷ 170 ⁰С в течение 24 ч), отличаются высокой жаропрочностью, но плохо свариваются.

Кроме этих наиболее распространенных сплавов, выделенных по системе легирования, могут быть названы жаропрочные сплавы на основе системы Mg-Th-Мn (сплав МА-13) и высокопрочные - на основе системы Мg-А1-Cd-Ag (MA-10) и др.

К литейным относятся сплавы МЛ-2 (Mg-Мn), МЛ-3, МЛ-4,-МЛ-5, МЛ-6. МЛ7-1 (Mg-Al-Zn), МЛ-10 (Mg-Nd-Zn), МЛ-12 (Mg-Zn-Zr) и др.

Особенности сварки

Магний - один из наиболее активных по отношению к кислороду металлов. В результате его окисления образуется окисел MgO, покрывающий поверхность металла пленкой. Температура плавления окиси магния 2800 ⁰С, (Т_пл Mg = 650 ⁰С), плотность 3,65 г/см³.

В связи с высокой температурой плавления окисная пленка на поверхности магниевых сплавов, так же как и при сварке алюминия, затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Окисная пленка на магниевых сплавах имеет плохие защитные свойства и способна удерживать большое количество влаги.

Кроме кислорода в атмосфере, окружающей ванну, могут присутствовать СО, СО₂, пары воды, азот и водород.

В связи с понижением растворимости водорода в жидком металле при охлаждении имеется возможность выделения водорода в виде пузырьков и образование пористости. В случае сварки при нормальном внешнем давлении критическая концентрация - водорода, способная привести к образованию пористости, [H]p > 50 см³/100 г. При наличии в сплавах сильных гидрообразователей, например, циркония, критическая концентрация водорода в жидком металле, способная привести к пористости, возрастает.

При сварке сплава МА2-1 (не содержащего циркония) толщиной 2 мм с погонной энергией 930 кал/см пористость в швах появляется при содержании в аргоне 0,84 % Н₂ (по объему), при уменьшении погонной энергии до 580 кал/см - при 1,2 % H₂. При сварке пластин той же толщины из сплава ВМД-3, содержащего 0,5 ÷ 0,9 % Zr, с погонной энергией 930 кал/см пористость обнаруживается при содержании водорода в аргоне 2,4% (по объему), а при уменьшении погонной энергии до 590 кал/см - при 3,9 % Н₂. Аналогичная закономерность наблюдается и при искусственном увлажнении аргона.

Полученные значения критической концентрации влаги и водорода в атмосфере защитного газа, способные вызвать пористость при сварке магниевых сплавов, велики и для реальных условий практически маловероятны.

Основная причина появления пор при сварке магниевых сплавов - выделение водорода, образующегося при разложении остатков влаги, содержащейся в частицах окисной пленки, попавших в ванну при расплавлении основного и присадочного металлов. При таком механизме образования пор водород выделяется в молекулярной форме, минуя стадию растворения. Количество несплошностей, образующихся при охлаждении, зависит от количества частиц окисной пленки, попавших в ванну в процессе сварки, и от запаса имеющейся влаги в окисной пленке.

В качестве основных мер борьбы с пористостью при сварке магниевых сплавов могут быть рекомендованы меры, направленные на уменьшение частиц окисной пленки, попавших в ванну (уменьшение поверхности основного и присадочного металлов, участвующих в образовании шва), а также применение рациональной обработки поверхности проволоки и кромок свариваемых изделий.

При кристаллизации чистого магния в металле швов образуется крупнокристаллическая структура. Эта тенденция сохраняется и при кристаллизации многих сплавов и в первую очередь сплавов, не содержащих модификаторов.

Большинство элементов обладает ограниченной растворимостью в магнии и образует с магнием системы с эвтектикой. При скорости охлаждения 50 ÷ 100 ⁰С/мин неравновесные эвтектики в двойных сплавах Mg-А1 и Mg-Zn появляются при содержании 0,1 % А1 и 0,3 % Zn, в то время как в равновесных условиях эвтектика в этих сплавах появляется соответственно при 12,4 % и 8,7 %. Появления эвтектики по границам зерен в виде тонких сплошных прослоек часто приводит к образованию горячих трещин. Повышение сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин во многих случаях достигается введением в их состав модификаторов. Важным средством металлургического воздействия с целью предупреждения горячих трещин служит ограничение в сплавах примесей, способных образовывать смеси типа эвтектики.

Благотворное влияние на повышение стойкости к горячим трещинам оказывают добавки редкоземельных элементов, в частности, лантана, в количествах 0,5 ÷ 1,0 %, т. к. лантан повышает пластичность сплавов в интервале твердожидкого состояния.

Большинство магниевых сплавов обладают склонностью к росту зерна при нагреве. При сварке многих магниевых сплавов, особенно не содержащих модификаторов в околошовных зонах, наблюдается заметный рост зерна.

При сварке магниевых сплавов, упрочняемых термообработкой, наряду с ростом зерна в околошовных зонах, возможен распад твердого раствора и оплавление границ зерен. Эти процессы приводят к существенному разупрочнению металла околошовной зоны (до 0,7 ÷ 0,9 прочности основного металла) и иногда к образованию трещин. Степень разупрочнения металла в околошовной зоне зависит от принятого термического цикла сварки и состава свариваемого металла.

В связи с высоким коэффициентом теплового расширения магниевых сплавов при местном нагреве, характерном для сварки, в соединениях возникают значительные напряжения, вызывающие коробление конструкций. При сварке с жестким закреплением соединяемых элементов вследствие этих причин возможно образование трещин. Для предупреждения трещин и уменьшения коробления в некоторых случаях рекомендуется сварка с подогревом, а иногда и последующая их термообработка для снятия напряжений.

Подготовка проволоки и кромок изделий перед сваркой

Выбор подготовки кромок для магниевых сплавов имеет некоторые особенности. В связи с недостаточной пластичностью магниевых сплавов отбортовка кромок даже для металла малой толщины практически не применяется. Встык без разделки кромок рекомендуется сваривать соединения только за один проход при односторонней сварке с подкладками, имеющими канавки. Двусторонняя сварка стыковых соединений без разделки кромок не рекомендуется из-за опасности появления в швах большого количества окисных включений. При сварке соединений из металла толщиной более 6 ÷ 10 мм. применяют V-образную разделку кромок и для металла толщиной более 20 мм при наличии подхода с двух сторон - Х-образную разделку кромок. В последнем случае перед выполнением шва с обратной стороны необходима предварительная разделка корневой части первого шва.

Непосредственно перед сваркой поверхность кромок свариваемых изделий подвергается специальной обработке для удаления окисной пленки и имеющихся загрязнений. Для этих целей поверхность кромок зачищают шабером или стальными щетками или же обрабатывают в ваннах специального состава.

Наиболее распространена следующая технология химической обработки поверхностей деталей из магниевых сплавов перед сваркой: обезжиривание в ванне состава 20 ÷ 30 г/л Na₃PO₄ • 12Н₂О; 30 ÷ 50 г/л Nа₂СОз; 20 ÷ 50 г/л NaOH; 3 ÷ 5 г/л жидкого стекла; промывка в проточной горячей воде при температуре 50 ÷ 60 ⁰С до 1 мин; удаление защитного покрытия в ванне состава 200 ÷ 300 г/л NaOH при температуре 70 ÷ 80 ⁰С 10 ÷ 15 мин; промывка в проточной горячей воде при температуре 50 ÷ 60 ⁰С 0,5 ÷ 1,0 мин; промывка в холодной воде; травление в ванне состава 150 ÷ 200 г/л СгО₃, 25 ÷ 35 г/л NaNO₃, 2 ÷ 3 г/л CaF₂ 2 мин при комнатной температуре; промывка в холодной проточной воде с помощью гидропульта до удаления с поверхности остатков электролита; сушка сжатым воздухом при температуре 60 ÷ 90 ⁰С.

Поверхность проволоки обрабатывают по приведенной выше технологии или в ванне для травления составом 180 г/л СгО₃ при температуре 90 ⁰С в течение 5 мин.

Способы сварки и виды сварных соединений

Основное значение в настоящее время имеют способы дуговой сварки магниевых сплавов в среде аргона вольфрамовым и плавящимся электродами.

Основное и наиболее желательное соединение - стыковое. При сварке нахлесточных, а иногда и тавровых соединений с неполным проплавлением сечения оставшиеся зазоры могут стать в дальнейшем очагами коррозии. При сварке нахлесточных и тавровых соединений серьезной становится проблема борьбы с окисными включениями в корневой части швов. При сварке стыковых соединений эта задача решается сравнительно просто, применением сварки на подкладках с достаточно глубокими канавками, обеспечивающими удаление окисных включений в проплав.

Для сварки конструкций из магниевых сплавов применяют ручную и автоматическую сварку вольфрамовым электродом и автоматическую сварку вольфрамовыми электродами трехфазной дугой в среде аргона первого сорта.

Сварку выполняют на стальных подкладках с канавками для формирования проплава. С целью разрушения окисной пленки используют переменный ток. Диаметр выходного сопла для аргона изменяется в зависимости от сварочного тока в пределах от 8 мм (сила тока 50 А) до 20 мм (сила тока > 400 А).

Ручной и автоматической сваркой вольфрамовым электродом встык без разделки кромок за один проход могут быть сварены листы толщиной 2-6 мм при силе тока 160 ÷ 175 А и 280 ÷ 290 А соответственно и скорости сварки 18 ÷ 20 м/ч.

С увеличением толщины свариваемых элементов сверх 5 мм при сварке вольфрамовым электродом необходимо разделка и заполнение ее в несколько проходов. Процесс многослойной сварки усложняется необходимостью тщательной зачистки поверхности предыдущих швов перед наложением последующих. При многослойной сварке вольфрамовым электродом в металле швов появляются включения вольфрама и окисных пленок.

Для металла толщиной более 5 мм может быть использована автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом со струйным переносом металла, для более тонкого металла - сварка короткой дугой с периодическими короткими замыканиями. В обоих случаях процесс ведут на постоянном токе обратной полярности.

Сварка плавящимся электродом особенно эффективна для соединения металла большой толщины, так как увеличивается производительность процесса и благодаря лучшему перемешиванию ванны уменьшается вероятность появления в металле швов окисных включений. При сварке встык без разделки за один проход плавящимся электродом могут быть сварены листы толщиной 5 ÷ 10 мм при силе тока 140 ÷ 160 и 290 ÷ 310 А соответственно и скорости сварки 25 ÷ 28 м/ч. Весьма перспективен способ сварки плавящимся электродом импульсной дугой.

Далее: 5.3. Технология сварки меди и ее сплавов