Технология сварки алюминиевых и магниевых сплавов

Свариваемость алюминиевых и магниевых сплавов

Свариваемость — совокупность определенных свойств материала, позволяющих при рациональном технологическом процессе получать качественные сварные соединения. Часто свариваемость оценивается сопоставлением свойств сварных соединений с аналогичными свойствами основного металла. Принято рассматривать склонность материала к образованию дефектов при сварке (трещин, пор, оксидных плен и другие дефекты), свойства при статических, повторно статических, высокочастотных и ударных нагрузках, коррозионную стойкость с учетом условий эксплуатации изделий.

Дефекты в сварном соединении

При дуговой сварке алюминиевых сплавов в среде инертных газов встречаются различные дефекты: газовая пористость (~48%), оксидные плены (~32 %), вольфрамовые включения (~12 %), трещины, несплавления и смещение кромок и др.

Кристаллизационные (горячие) трещины, окисные плены, непровар, несплавление, обнаруженные в сварном соединении, подлежат обязательному устранению. Что касается пор, вольфрамовых включений, раковин и других дефектов, то они допускаются без исправления конструкции в определенном количестве и объеме. Суммарная длина дефектных участков, подлежащих подварке, не должна превышать 20 % длины шва (но не более 300 мм) для сварных соединений I категории и для II категории — 30 % (но не более 400 мм). Длина единичного дефектного участка не должна превышать 60 мм при расстоянии между ними не менее 100 мм (I категория) и 80 мм (II категория).

Сопротивляемость горячим трещинам

При сварке сплавов Аl—Mg, Аl—Сu, Аl—Zn и Аl—Si установлена повышенная склонность к трещинообразованию на сплавах с максимальным эффективным интервалом кристаллизации. Металлургические способы уменьшения склонности к трещинам заключаются во введении в основной металл и сварочную проволоку отдельных химических элементов, которые, изменяя эффективный интервал кристаллизации и пластичность металла в твердо-жидком состоянии, оказывают влияние не только на величину горячеломкости металла при сварке, но и позволяют за счет смещения неравновесного солидуса по отношению к равновесному перенести трещину из опасной зоны (зоны сплавления) в наплавленный металл.

Технологические мероприятия по уменьшению трещин в сварном соединении находятся во взаимосвязи с темпом деформации в температурном интервале хрупкости, а также с наличием концентратора напряжений.

Во избежание образования кристаллизационных трещин следует обратить внимание на жесткость стыкуемых деталей. При сварке деталей с резким перепадом толщины необходимо предусматривать со стороны точеных деталей (фланец, шпангоут и др.) полку, длина которой должна составлять 2S (S — толщина стыкуемых деталей в зоне сварки), но не менее 30 мм. Для уменьшения жесткости свариваемых деталей из тонколистового материала (S<2 мм) рекомендуется зиговка заготовок.

В зависимости от толщины материала при сварке врезных фланцев на цилиндрических и сферических поверхностях устанавливается минимально допустимый диаметр. Так, для материалов толщиной до 2 мм — диаметр не менее 60 мм, при толщине до 6 мм — не менее 120 мм и т. д. Наблюдаются трещины при сварке в зоне термического влияния, если шероховатость поверхностей свариваемых элементов составляет R_z>40 мкм.

При выполнении соединения в «отбортовку» на сплавах с σ_в>250 МПа (Амг5, АМг6, Д20 и др.) очень часто на практике в районе гиба наблюдаются микронадрывы, которые являются очагом образования трещины при сварке. Следует избегать соединения «по кромке», так как в них возможно появление несплавления и трещин в корне шва из-за наличия оксидной пленки на поверхности металла. При изготовлении изделий со швами различной протяженности рекомендуется в первую очередь выполнять швы большой протяженности и швы максимального сечения, а затем короткие швы.

Оксидные пленки

Высокая химическая активность Al, Мg и их сплавом с кислородом приводит к образованию на поверхности металла оксидов (Al₂O₃, MgO). Толщина пленки при комнатной температуре увеличивается во времени. Оксидные пленки относятся к группе плотных пленок (Аl₂O₃, γ = 4,00; MgO, γ = 3,65), которые предохраняют металл от дальнейшего окисления и взаимодействия его с окружающей средой. На поверхности двойных сплавов алюминия с элементами меди, марганца, кремния, железа, цинка образуется оксидная пленка, по структуре аналогичная пленке на чистом алюминии.

По данным А. В. Курдюмова, при содержании в сплаве Mg<0,02 % в оксидной пленке обнаруживается шпинель MgAl₂O₄ и γ-Al₂O₄, при 0,01—0,1 % Mg оксидная пленка состоит из MgAl₂O₄ и MgO. В оксидной пленке преобладает MgO при содержании магния в алюминиевых сплавах >1 %. Образованием рыхлой оксидной пленки MgO на поверхности магналиевых и магниевых сплавов объясняется их повышенная склонность к образованию пористости при сварке. Введение малых добавок бериллия в сплавы системы Al—Mg снижает окисляемость в десятки раз.

Наличие на поверхности металла тугоплавкой пленки(T_пл^Al₂О3 = 2050°С; T_пл^MgO = 2800°С) с высоким электросопротивлением оказывает отрицательное влияние на стабильность протекания процесса сварки. Оксидная пленка не плавится и не растворяется в жидком металле сварочной ванны. К этому следует добавить, что оксидная пленка активно адсорбирует влагу. При нагреве происходит диссоциация пара с выделением водорода — основного источника пор в сварных швах.

В связи с этим для обеспечения формирования наплавленного металла при сварке необходимо разрушить оксидную пленку. Это достигается за счет катодного распыления при горении сварочной дуги в среде аргона (переменный ток, постоянный ток на обратной полярности) или за счет высокой концентрации тепла при сварке в гелии на постоянном токе прямой полярности.

Газовая пористость

Многолетняя статистика брака сварных конструкций позволяет установить, что одним из основных дефектов (~48 %) при сварке алюминиевых и магниевых сплавов является газовая пористость.

Исследования взаимодействия Аl и Mg с различными газами показали, что наибольшую растворимость в них имеет водород. Так, анализ газов в Аl при температуре 1200°С показал следующее соотношение: 78 % Н, 12 % СО, 4 % СO₂, 6 % N. В твердом алюминии водород практически нерастворим (S_тв^H₂ = = 0,036 см³/100 г). Заметная растворимость наблюдается лишь с увеличением температуры до 660 °С и выше (S_ж^H₂ = 0,69 см³/ 100 г) и находится в зависимости от времени выдержки и давления газа над расплавом. Значительно увеличивается растворимость водорода у магния в жидком и в твердом состояниях (S_ж^H₂ =51 см³/100 г и = S_тв^H₂ 19 см³/100 г). Растворимость водорода в алюминии снижается при введении Сu, Si и Sn, тогда как присадка Mn, Ni, Mg, Fe, Cr, Zr, Th и Ti, наоборот, ее повышает.

Причиной образования пористости в сварных швах из алюминиевых и магниевых сплавов является водород. К основным источникам появления водорода при сварке в среде инертных газов следует отнести: влажность защитной инертной среды, загазованность основного и присадочного металла, а также присутствие влаги на поверхности свариваемого материала. При этом основной объем газа (около 60%) приходится на поверхность металла сварочной проволоки.

Основные направления в разработке средств повышения плотности сварного соединения предполагают:

а)    химическую, тепловую и механическую обработку поверхности (химическое травление, прогрев проволоки в аргоне, Т = 250—300°С, шабрение кромок R_z<40 мкм);

б)    соблюдение нормативной длительности хранения материала перед сваркой (основной металл после шабрения <3 ч; сварочной проволоки после химического травления <8 ч);

в)    обеспечение культуры производства (влажность 75— 85%, запыленность IV класс чистоты, температуры 18—20°С);

г)    уменьшение доли участия поверхности сварочной проволоки при формировании наплавленного металла (увеличение диаметра сварочной проволоки с 1,5 до 3 мм; освоение формы разделки кромок под сварку С1, СЗ вместо С5 и С6, уменьшение числа проходов при выполнении сварочного соединения);

д)    эффективное воздействие на условие кристаллизации жидкого металла сварочной ванны (скорость всплывания газового пузырька должна превышать скорость кристаллизации, чему способствуют подогрев, погонная энергия дуги, дополнительные источники тепла: двухдуговая, трехфазная сварка и т. д.);

е)    механическое воздействие на жидкий металл сварочной ванны (обработка УЗК при сварке, магнитное перемешивание и др.).

Вольфрамовые включения

Сварку Al, Mg и их сплавов производят, как правило, неплавящимся (вольфрамовым) электродом в атмосфере инертного газа. Высокая температура плазмы электрической дуги, достигающая 6000—10 000 К, и высокая плотность тока (~ 10⁴—10⁶ А/см²) создают значительные тепловые нагрузки на электрод, работающий в условиях дугового разряда. Снижение дефектности по вольфрамовым включениям в сварном соединении возможно путем повышения эрозионной стойкости вольфрама за счет введения оксидов (оксид лантана или оксид иттрия и др.). Стойкость к токовым нагрузкам вольфрама марки ВЧ меньше, чем у других марок (ВЛ, СВИ, ВИ). Более долговечен в эксплуатации за счет высокой эмиссионной способности вольфрам с оксидом лантана (ВЛ) или оксидом иттрия (ВИ-20, ВИ-30, СВИ-1). Этот вольфрам поддерживает более высокую устойчивость дугового разряда.

Оптимизации технологии сварки способствует уменьшению тепловой перегрузки электрода со стабильной защитой W от воздействия окружающей среды. Для уменьшения перегрева W регламентируется продолжительность выполнения сварки. Следует избегать коротких замыканий электрода при сварке, обратив особое внимание на условия выполнения сварного соединения (труднодоступные места, сварка в пространственном положении и т. д.).

Наибольшая стойкость W при сварке на постоянном токе прямой полярности, меньшая — при переменном токе, минимальная — при постоянном токе обратной полярности. Оптимальный расход газа обеспечивает стабильный процесс горения дуги и хорошую защиту W от воздействия окружающего воздуха, а тем самым повышается стойкость W и уменьшается дефектность в сварных соединениях.

Особенности технологии сварки

Наибольшее распространение при изготовлении сварных конструкций из легких цветных сплавов получила дуговая сварка в среде инертных газов.

Особенности сварки алюминиевых и магниевых сплавов предопределяют повышенные требования к ее технологии. Первостепенное значение приобретает культура производства. В сборочно-сварочных цехах не допускается выполнение работ, связанных с интенсивным образованием пыли и дыма (газовая резка, электродуговая сварка, зачистка абразивными кругами и т. п.). Сварка алюминиевых и магниевых сплавов производится в чистых помещениях, чистота которых достигается их отделкой, тщательной уборкой. Все подгоночные и сварочные работы выполняются в чистой специальной одежде и в сухих чистых хлопчатобумажных перчатках. Сварные изделия изготавливают в цехах с относительной влажностью воздуха не более 70%, в районах повышенной влажности не более 80 %. При этом цеховая температура поддерживается для холодного периода в пределах + 18±2°С и теплого + 20±2 °С.

Наиболее целесообразным, с точки зрения качества сварных швов, является химический способ обработки поверхности основного металла и проволоки. После химического травления допустимая продолжительность хранения заготовок перед механической зачисткой свариваемых поверхностей составляет не более 120 ч (I и II категории сварных соединений) и 200 ч для соединения III категории.

Детали, прошедшие механическую обработку (шабер, фреза, щетка и др.), поступают на сварку не позднее 3 ч (I категория), 5 ч (II категория) и не более 8 ч для сварных соединений III категории. Срок хранения проволоки после химического травления не более 8 ч. При хранении проволоки в герметичной упаковке (под вакуумом, в среде инертных газов), ее срок хранения возрастает до 72 ч.

При отработке технологического процесса сварки конкретного узла необходимо уделять внимание точности сборки заготовок под сварку и возможности применения сборочно-сварочной оснастки.

Механические свойства сварных соединений

Исходя из условий работоспособности, надежности в процессе эксплуатации сварной конструкции разработчик изделия определяет категорию ответственности сварного соединения: I — особо ответственная, II — ответственная и III — неответственная.

При оценке степени ответственности сварного элемента следует принимать во внимание, что в конструкциях со сварными соединениями в наплавленном металле швов могут возникать напряжения двух родов — рабочие и связующие. В связи с этим, к I и II категории сварных соединений следует относить сварные соединения, в которых действуют рабочие напряжения, III категория сварных соединений распространяется на сварные соединения со связующими напряжениями.

Временное сопротивление стыкового сварного соединения с усилением зависит от способа сварки, толщины свариваемого материала и определяется коэффициентом разупрочнения сваркой основного металла.

Наряду с оценкой горячеломкости при сварке для общей оценки свариваемости необходимо располагать данными по работоспособности сварных соединений по отношению к основным металлам при статическом растяжении, повторно статическом и усталостном нагружениях.

Одним из мероприятий по обеспечению равнопрочности (при сохранении пластических характеристик) сварного соединения при сварке сплавов в нагартованном или термически обработанном состоянии является утолщение кромок в зоне сварки, полученное механическим способом обработки или химическим фрезерованием. Что касается толщины зоны утолщения кромок стыкуемых деталей, то она определяется расчетным путем, исходя из условий равнопрочности сварного соединения с основным металлом. Одним из основных рычагов повышения механических свойств сварных соединений является проковка, прокатка роликами сварного соединения в холодном или теплом состоянии. Вышеуказанные технологические операции подлежат всесторонне проверке с целью определения их влияния на пластичность и коррозионную стойкость сварных соединений.

При сварке сплавов термически упрочняемых возможно поднять прочность сварного соединения до уровня основного металла последующей (после сварки) термообработкой сварного узла (закалка + искусственное старение). При сварке термически упрочняемых сплавов искусственное старение сварных соединений повышает предел выносливости на 15—20 МПа.

Для защиты от коррозии рекомендуются анодно-оксидные, химические и лакокрасочные покрытия.