Глава 3 АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Назад: 3.2 Классификация промышленных сплавов алюминия.

3.3 Свариваемость алюминия и его сплавов

Технологическая свариваемость алюминия и его сплавов осложняется специфическими теплофизическими свойствами (теплоемкость, теплопроводность, теплота плавления,), системой и уровнем легирования, количеством примесей (Fe, Si), объемом растворенных газов (О₂, H₂), а также особенностями кристаллизации сварочной ванны (образование крупного зерна, высокие скорости охлаждения, развитие химической, структурной и механической неоднородности и т.д.).

Указанное многообразие факторов и часто противоположное их воздействие на уровень свойств сварных швов и соединений предопределяет появление дефектов металлургического и технологического характера, снижающих их в сравнении с основным металлом или ограничивающие использование алюминиевых сплавов в конструкциях ответственного назначения. Устранение причин появления дефектов или их исправление осложняет технологию сварки и, следовательно, ухудшает технологическую свариваемость алюминия и его сплавов.

С этой точки зрения технологическую свариваемость следует оценивать как наличие определенных проблем (трудностей) сварки, к которым можно отнести склонность к горячим (кристаллизационным), а иногда и к холодным трещинам, образование окисных включений в швах, пористость и нарушение формирования швов, повышенные сварочные деформации и коробление свариваемых кромок в процессе сварки и т.д.

Известно [19], что склонность к горячим трещинам (технологическая прочность в процессе сварки) сплавов определяется уровнем их деформационной способности в период кристаллизации, а также темпом нарастания растягивающих напряжений в температурном интервале хрупкости (ТИХ). Механизм образования горячих трещин описан в литературе [17,19], а схема процесса показана в ч.1, гл.8.4, рис. 8.1 [20]. Усугубляющими факторами трещинообразования при сварке Аl-сплавов являются более широкий (в сравнении со сталями), ТИХ, повышенный объем эвтектики и охрупчивающих примесей в ванне, степень ее окисленности, содержание газов. Эти факторы в сочетании с увеличением объема расплавленной сварочной ванны, значительной литейной усадкой и формирующимся крупным зерном при сварке определяют высокие темпы роста деформаций кристаллизующейся ванны и исчерпание пластичности металла, что и ускоряет возникновение горячих трещин. Наибольшую склонность к горячим трещинам при сварке проявляют сплавы систем Аl-Cu, Al-Zn, Al-Si, менее склонны к ним сплавы систем Al-Mg, Al-Mn.

Практически склонность к горячим трещинам оценивается по технологическим пробам, из которых наиболее жесткой является кольцевая проба [2]. Критерием склонности, как правило, является суммарная длина образовавшихся трещин при сварке сплавов различного легирования, либо при сварке заданного сплава различными проволоками, или при сварке на разных режимах. На основе таких экспериментов (проб) определяются способы и материалы получения работоспособных соединений.

Другой важной проблемой свариваемости является наличие на свариваемых поверхностях и образование в процессе сварки тугоплавких и хрупких окислов Al₂O₃ или точнее, MeO Al₂O₃, способных адсорбировать газы и влагу (Al₂O₃ 3Н₂О). Последняя удерживается окисной пленкой вплоть до плавления металла, способствуя в последствии образованию пор. Окисел Al₂O₃ отличается высокой химической прочностью против диссоциации и реакциями с другими металлами в твердом состоянии. Восстановление алюминия из его оксида в условиях сварки практически исключено Окисел покрывает сварочную ванну и, не расплавляясь, удерживается поверхностным натяжением на ее поверхности. Обладая высоким электрическим сопротивлением = 1107 Омсм, оксид резко снижает стабильность дугового разряда, приводя к блужданию дуги, ухудшению формирования поверхности шва, образованию несплавлений и шлаковых включений.

В алюминиевых сплавах, как правило, содержится не более 8-9 % легирующих элементов (Cu, Mg, Mn, Si, Zn и др.) и 0,2-1,7 % примесей. Они несколько изменяют указанный характер, состав и свойства окисла. Установлено, что при Т 700-750 ⁰С окисление Cu, Mn и Si маловероятно, а окисление Be, Mg, Ca – значительно. Это приводит к тому, что, например, в сплавах системы Al-Mg окисная пленка представляет собой шпинель Al₂O₃ MgO или окисел MgO (если магния в сплаве более 1,5 %). Такая пленка слабо защищает основу от дальнейшего окисления, так как она пористая. Имея перисто-хлопьевидное строение и повышенную плотность, окисная пленка тонет в сварочной ванне и зашлаковывает корень шва. Незначительная добавка бериллия в алюминиевый сплав улучшает в десятки раз защитные свойства оксида.

Для стабилизации дугового разряда и уменьшения окисных включений в швах необходимо удалять окисную пленку со свариваемых кромок, присадочной проволоки и принимать меры к защите ванны от взаимодействия с кислородом(поддув Ar в корень шва, насадки к горелкам, малые зазоры) Водород в отличие от других газов (O₂, N₂) обладает несколько повышенной способностью растворяться в расплавленной алюминиевой ванне и при ее кристаллизации в условиях сварки (высокие скорости охлаждения), не успевая выйти, образует поры в швах (48 % всех дефектов швов приходится на поры). Основным источником водорода в сварочной ванне, является реакция взаимодействия влаги, содержащейся в окисной пленке, с металлом.

2Al + 3H₂О = Al₂O₃ + 6H⁺

Снижение концентрации растворенного водорода до [H] 0,7 см³/100 гм практически устраняет пористость. Это достигается соответствующей подготовкой поверхности свариваемых кромок и проволоки (механическая очистка, промывка заготовок горячей водой, бензином, химическое травление спиртом, полирование проволоки и т.п.), надежной защитой зоны сварки от атмосферы, использованием повышенных диаметров присадочной проволоки, снижением доли основного металла в шве, соблюдением нормативных сроков хранения материалов перед сваркой, регулированием режимов сварки и т.д.

Повышенное коробление сварных соединений, объясняющееся большой величиной коэффициента линейного расширения (Al = 0,2410^-4 град^-1 и -стали = 0,1210^-4 град^-1) и низким модулем упругости, также усложняет технологию сварки и требует выполнения ряда технологических мер (закрепление свариваемых кромок, предварительное их формирование, усиление теплоотвода, утолщение кромок и т.д.) по устранению или существенному снижению уровня коробления.

Необходимость использования мощных и концентрированных источников теплоты для сварки алюминиевых сплавов (из-за высокой теплопроводности), приводит, в частности, к значительным токовым нагрузкам на вольфрамовые электроды, что является причиной появления в швах вольфрамовых включений. Использование вольфрамовых электродов, легированных окислами лантана и иттрия (ЭВЛ-10, ЭВИ-2), обладающих повышенной термостойкостью, существенно их уменьшает.

Применение в отдельных случаях подогрева кромок до Т = 150-200 ⁰С является особенностью сварки, которую необходимо учитывать при сварке высокопрочных алюминиевых сплавов.

Отсутствие цветов побежалости затрудняет визуальное наблюдение за процессом нагрева и расплавления металла.

Далее: 3.4 Технология сварки.