37 Особенности сварки алюминия, титана, меди

Сварные соединения конструкций из алюминиевых сплавов не получили широкого распространения из-за специфических особенностей их сварки. В основном-сварные соединения применяются в конструкциях из термически неупрочняемых сплавов АД1М, АДцМ, АМг2М и др.

Наиболее распространенной является электродуговая сварка в среде инертного газа аргона. Аргон, защищая сварочную ванну от соприкосновения с воздухом, предохраняет ее от образования тугоплавких пленок, препятствующих сплавлению металла и затрудняющих сварку алюминиевых конструкций. Сварку можно вести в струе аргона неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей голой присадочной проволоки. Такой способ применяется при сварке изделий небольших толщин (до 6-10 мм). При сварке изделий больших толщин целесообразен автоматический способ сварки плавящимся электродом. Сварку часто производят с предварительным подогревом изделия или двумя электродами, чтобы компенсировать повышенную теплопроводность алюминия.

Конструктивная форма соединений элементов из алюминиевых сплавов аналогична конструктивной форме соединений стальных конструкций. Однако в конструкциях из термически упрочненных сплавов основной металл в зоне термического влияния сварного шва разупрочняется, что необходимо учитывать при расчете соединений.

Разупрочнение металла при сварке иногда можно уменьшить повторной термообработкой сварного соединения, однако прием этот не всегда применим, дорог, а потому используется редко.

Расчет принимается по СНиП 11-24-74 и несколько отличается от расчета соединений стальных конструкций.

Трудности при сварке титана и способы решения

Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.

При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом, стабилизирующим α-фазу, по реакции Ti+O2 = TiO2 с образованием поверхностного слоя с большой твердостью – альфинированного слоя, – который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы (от Ti6O до TiO2) с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.

При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины. Допустимое содержание азота в титане составляет до 0,05%, кислорода – до 0,15%.

Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200–400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана TiH2 способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана – возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки. Допустимое содержание водорода в титане составляет до 0,01%.

Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите – желто-голубая окраска, серые налеты.

Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.

Титан обладает низкой теплопроводностью, в связи с чем стыковые швы, получаемые при сварке плавящимся электродом в среде аргона, имеют характерную конусовидную форму с глубоким проплавлением. Поэтому для некоторых конструкций требуется наложение дополнительных швов по краям основного шва (галтельных швов) или сварка в среде гелия для получения более широкого шва.

Основные способы сварки титана и его сплавов:

дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом;

дуговая сварка под флюсом;

электрошлаковая сварка;

электронно-лучевая сварка; контактная сварка.

Сварка меди

Выбор технологического процесса сварки изделия в первую очередь определяется его назначением, сложностью (наличие коротких или криволинейных швов в различных пространственных положениях, трудно-доступных мест), а также числом изготовляемых изделий (серия) и требованиями, предъявляемыми к их качеству. К высокопроизводительным процессам относятся электродуговая сварка под флюсом плавящимся электродом, электрошлаковая сварка металла больших толщин, и их следует использовать при серийном производстве или на заготовительных операциях.

При соответствующей подготовке сварочных материалов (прокалке флюса до 400—4500 С) эти виды сварки обеспечивают хорошие результаты (защиту и малое загрязнение металла шва, относительно невысокие температурные градиенты, снижающие влияние водорода). При единичном производстве и ремонтных работах рекомендуется использовать газовую сварку, в процессе которой осуществляется подогрев и начальная термическая обработка изделия. Невысокие температурные градиенты уменьшают воздействие сварочного термического цикла на металл в зоне сварки (шов, зона термического влияния). Возможно, раскисление и легирование металла через присадочную проволоку.

Газовую сварку можно применять как для чистой меди, так и для ее сплавов. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами приводит к загрязнению металла шва легирующими компонентами, что нарушает физические свойства металла шва по сравнению с чистой медью.

Сварка медных сплавов (бронз) идет удовлетворительно, но в латунях при этом теряется цинк за счет испарения и окисления. Дуговую сварку в защитных газах, широко применяемую в сварочной технике, используют также для изготовления сварных изделий из меди и ее сплавов. Для сварки изделий из чистой меди чаще используют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона, гелия или азота. Защитные газы должны быть особо чистыми.

Ввиду значительной теплопроводности меди дуговая сварка ее требует применения тока повышенной силы. Жидкотекучесть меди выше, чем стали, поэтому кромки свариваемых листов нужно соединять плотно, с минимальным зазором, или сваривать на стальной подкладке. Угол раскрытия кромок должен составлять 70±5. Медь толщиной более 6 мм сваривают с предварительным подогревом, листы толщиной от 1 до 3 мм — с отбортовкой кромок, без присадочного металла. Тонкие листы (менее 6 мм) после сварки проковывают в холодном состоянии, а толстые — при температуре 200—300°С. Сварку выполняют угольным или металлическим электродом с применением флюсов и покрытий.