2. Магнієві сплави

Внаслідок малої міцності і недостатньої корозійної стійкості чистий магній малопридатний для виготовлення зварних конструкцій.

Сплави магнію з алюмінієм, марганцем і цинком мають збільшену в десятки разів вібраційну міцність порівняно з алюмінієвими сплавами і сталями, що поряд з малою питомою вагою дозволяє використовувати їх в авіабудуванні, автомобільному і залізничному транспорті. Оскільки власна оксидна плівка не захищає метал від проникнення кисню в глибину, його поверхня покривається штучною хроматною захисною плівкою.

Оброблювані магнієві сплави маркуються згідно з ГОСТ 14957-76 так: МА 1 (1,3–2,5% Mn, решта Mg), МА 2 (3,0 – 4,0% Al, 0,15 – 0,5% Mn, 0,2 - 0,8% Zn, решта Mg), МА 5 (7,8-9,2% Al, 0,15 – 0,5% Mn, 0,2 - 0,8% Zn, решта Mg), МА 14 (5,0-6,0% Zn, 0,3 – 0,9% Zr, решта Mg).

Ливарні сплави маркуються згідно з ГОСТ 2856-79 так: МЛ 3 (2,5 – 3,5% Al, 0,15-0,5% Mn, 0,5 – 1,5% Zn, решта Mg), МЛ 4 (5,0 – 7,0% Al, 0,15-0,5% Mn, 2,0-3,5% Zn, решта Mg), МЛ 8 (5,5 - 6,6% Zn, 0,7 – 1,1% Zr, 0,2 – 0,8% Cd, решта Mg).

При зварюванні магнієвих сплавів і заварюванні магнієвого литва виникають труднощі металургійного і технологічного складу. Так, в процесі зварювального нагрівання магнієві сплави є високоактивними до окислювання з утворенням плівки оксидів.

Завдяки значній різниці в температурі плавлення чистого магнія і його оксида (680°С та 2800°С відповідно), а також в 2 рази більшої густини MgO порівняно з густиною метала виникає не сплавлення кромок основного метала з присадним, а зварювальна ванна забруднюється оксидом магнія. Тому зварювальна ванна потребує захисту від навколишнього середовища, який, в основному, здійснюється інертними газами. Руйнування оксидної плівки здійснюється при зварюванні на змінному струмі по механізму, діючому аналогічно при зварюванні алюмінію.

Хоча магнієві сплави мають меншу схильність до утворення пор порівняно з алюмінієм, тим не менше необхідно забезпечувати умови на підвищення стійкості швів проти пористості. Внаслідок підвищеної рідкотекучості метала і втрати його міцності в інтервалі температур ліквідус – солідус обов’язковим є використання формуючих підкладок з міді або нержавіючої сталі з канавками різної форми.

Деталі при зварюванні треба закріпляти у кондукторах або іншими фіксуючими форму пристроями для зменшення деформацій внаслідок високого коефіцієнта лінійного розширення.

Магнієві сплави при зварюванні проявляють високу схильність до утворення кристалізаційних тріщин, що пов’язано як з великим інтервалом початку і закінчення кристалізації, так і наявністю низькотемпературних евтектик, наприклад: Mg–Сu (Т_пл=485°С), Mg- Al (Т_пл=436°С), Mg- Ni (Т_пл=508°С) і т.і. Остання труднощь долається низкою технологічних і конструктивних мір:

1. Розробка технології виготовлення зварного з’єднання, яка включає спосіб і режим зварювання і охолодження з’єднання, послідовність виконання швів в конструкції, які забезпечують розвиток мінімально можливих усадкових і теплових лінійних деформацій при кристалізації метала шва і охолодженні метала поруч зі швом.

2. Застосування підігріва і відпалу, які змінюють розподіл власних напружень в зварних з’єднаннях і знижують їх до рівня, при якому метал шва стає більш стійким проти подальших перетворювань і одночасно більш пластичним.

3. Конструювання зварного з’єднання, яке забезпечує достатню податливість конструкції виникаючим в процесі зварювання деформаціям в шві і в зоні термічного впливу.

Перед зварюванням кромки деталей зачищають механічним шляхом (щіткою, шабером, напильником) або хімічним – травленням. Технологія останнього використовується і при підготовці присадного матеріала і виконується по схемам:

І

1. Хімічне знежирення при температурі 60-90°С протягом 5-10 хв. у ванні такого складу: 20-30 г/л тринатрійфосфата Na₃PO₄12H₂O; 30-50 г/л соди кальцинованої Na₂CO₃; 20-50 г/л їдкого натра NaOH; 3-5 г/л рідкого скла.

2. Промивання в проточній гарячій воді при температурі 50-60 °С протягом 0,5-1 хв.

ІІ

3. Вилучення захисного покриття протягом 10-15 хв при температурі 70-80 °С у ванні з їдким натром NaOH (200-300 г/л).

4. Промивання в проточній гарячій воді, як у п.2.

5. Промивання в холодній воді.

ІІІ

6. Травлення при кімнатній температурі протягом 0,5 – 2 хв у ванні такого складу: 150-200 г/л хромового ангідриду СrO₃; 25-35 г/л азотнокислого натрія NaNO₃; 2-3 г/л фтористого кальція CaF₂. За одну хвилину знімається шар товщиною 2,5 – 3 мкм.

7. Промивання в холодній проточній воді для вилучення з поверхні деталей і присадного матеріала хромового електроліта.

8. Сушіння стиснутим повітрям при температурі 60-90 °С.

Такі методи підготовки застосовуються в умовах масового виробництва зварних вузлів невеликих габаритних розмірів.

При зварюванні великих вузлів задовільні результати можна одержати при механічній обробці поверхонь під зварювання – шабруванням.

Підготовлені таким чином деталі і дріт можуть зберігатися протягом 24 год. Якщо останній зберігати в касеті у сухому приміщенні, то термін може бути подовжений до 4-х діб, а у випадку зберігання його у герметичній тарі – значно довше. На практиці присадний дріт травлять у кількості, достатньої для роботи в одну зміну.

Присадний дріт виготовляють з магнієвих сплавів того ж самого складу шляхом пресування, а для механізованого зварювання прутки зварюють між собою і згортають у бухту.

Зварювання, в основному, ведеться з використанням присадного дроту, зрідка – по буртику без присадки.

Газове зварювання магнієвих сплавів виконується нормальним полум’ям потужністю (75-100)S, де S – товщина метала. Процес ведеться лівим способом і тільки у нижньому положенні; кромки під зварювання підготовляють таким же чином, як і при зварюванні алюмінія. Як присадний метал використовують прутки або “локшину”, вирізану з листів того ж самого складу.

Обов’язковим є використання флюсів різних складів (табл. 2.1), які розводять у посуді з нержавіючої сталі дистильованою водою до сметаноподібного стану (60 г флюсу на 100 г води).

Таблиця 2.1 - Флюси для газового зварювання магнієвих сплавів

Марка флюсу	Склад, % по масі
	СaF2	BaF2	MgF2	LiF	Na3AlF6	MgO
ПО	18	35	26	23	-	-
МФ-1	25	30	10	15	20	-
ВФ-156	15	32	25	20	5	3

Флюс наносять на кромки шва і на кінець присадного прутка невеликим шаром. Щоб не було займання магнію, зварювальна ванна повина бути захищена флюсом. Розведений флюс може зберігатися протягом 9 год. Деталі з деформуємих магнієвих сплавів товщиною більше 5 мм потребують перед зварюванням попереднього підігріву до температури 300-350 °С. Міцність зварних з’єднань становить 60-80% міцності основного метала.

Аргоно-дугове зварювання вольфрамовим електродом забезпечує виконання всіх типів зварних з’єднань в конструкціях із магнієвих сплавів. Для повного вилучення оксидної плівки із стика і надійного проплавлення стикові з’єднання виконують на зйомних підкладках з міді або нержавіючої сталі з канавкою овальної чи прямокутної форми, розмір якої залежить від товщини зварюваного метала і лежить у межах: ширина 5-20 мм і глибина1-2 мм. Пристрої повинні забезпечувати надійний притиск зварюваних кромок до підкладок. При їх відсутності кромки прихвачують окремими точками вручну розмірами 10-12 мм на відстані 50-150 мм в залежності від товщини зварюваного металу; перед зварюванням необхідно зачищати місця прихваток сталевою щіткою, а підсилення знімати врівень з основним металом.

Листи товщиною до 5 мм зварюють встик без розчищення кромок, 10-20 мм – з V-подібним розчищенням з кутом 50-60° і притупленням 2-6 мм, більше 20 мм – з Х - подібним розчищенням з кутом 60 - 80° і притупленням 2-3 мм.

Діаметр присадного дроту вибирають в залежності від товщини зварюваного метала:

Товщина метала, мм до 2 2-3 4-6 8 більше10

Діаметр присадки, мм 1,5 – 2,0 2,0 – 2,5 2,5 3,0 3,0 - 4,0

Діаметр вихідного отвору пальника вибирають в залежності від зварювального струму:

Iзв, А 50 100 200 300 більше 400

d сопла, мм 8 8-10 10 14-20 20

Зварювання магнієвих сплавів виконують при мінімальній довжині дуги 1-1,5 мм.

Параметри режиму зварювання магнієвих сплавів вольфрамовим електродом на змінному струмі наведені в табл. 2.2.

Таблиця 2.2 - Орієнтовні параметри режиму зварювання магнієвих сплавів вольфрамовим електродом на змінному струмі

Вид з’єднання	Товщина метала, мм	Присадний метал		Iзв, А	Vзв, м/год	QAr, л/хв	Кількість проходів
		de, мм	Vn.e., м/год
Ручне зварювання
Стикове без розчищення	2 3 5	2,5 2,5 3,0-4,0	- - -	100-105 180-190 230-240	- - -	12-14 12-14 16-18	1 1 1
Стикове з розчищенням	6 8 10 30	4,0 4,0 4,0 4,0	- - - -	200 200 200-220 220-230	- - - -	16-18 16-18 16-18 16-18	3 3 4-5 багатошаровий шов
Автоматичне зварювання
Стикове без розчищення	2 2,5 3 5 6	2,0 2,5 2,5 2,5 2,5	120 70-80 95-100 140 90-100	165-175 170-180 180-200 290-300 280-290	24 24 18-20 25 18	12-14 14-16 14-16 16-18 16-18	1 1 1 1 1

П р и м і т к а.: Діаметр вольфрамового електрода 2-3мм.

При виконанні першого шва потребується захист кореня шва інертним газом, як і в разі зварювання титана.

При багатопрохідному зварюванні необхідне ретельне зачищення попереднього шару від чорного нальоту оксидів.

Для запобігання перегрівання основного метала необхідно зварювання вести на режимі великої концентрації тепла, що досягається використанням великих зварювальних струмів і швидкостей зварювання. Міцність зварного з’єднання становить 75-85% від міцності основного метала.

Зварювання магнієвих сплавів плавким електродом в аргоні доцільно виконувати для товщин метала, починаючи з 6 мм. При цьому слід додержуватися співвідношення між діаметром електродного дроту і зварювальним струмом:

Діаметр дроту, мм 0,8 1,2 1,6 2,0 2,5 3,2

Iзв, А 160-165 180-200 220-265 270-300 320-350 420-440

Саме зварювання ведеться тільки на постійному струмі зворотної полярності.

Параметри режиму автоматичного зварювання плавким електродом стикових з’єднань сплаву МА 2 наведені в табл.2.3.

Таблиця 2.3 - Орієнтовні параметри режиму автоматичного зварювання плавким електродом стикових з’єднань сплаву МА2

Товщина металу, мм	de, мм	Iзв, А	Vn.e., м/год	Uд, В	Vзв, м/год	QAr, л/хв	Кількість проходів
5 5 10 15 20 30	2,0 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5	140-150 140-150 290-300 270-290 280-300 270-280	230 210 260 240 420 400	20-23 20-23 21-24 21-24 21-23 21-24	25-27 26-27 24-26 26-27 25 20	20-22 20-22 20-22 20-22 20-22 21-24	1 1 1 2 2 4

Кращі результати можна одержати на параметрах режиму зварювання, відповідаючи струминному переносу метала (табл. 2.4 )

Таблиця 2.4 – Орієнтовні параметри режиму механізованого зварювання магнієвих сплавів плавким електродом в аргоні

de, мм	Iзв., А	V п.е, м/год	Uд, В	QAr, л/хв..
0,8	160-165	2400	25-26	7-8
1,2	180-200	1260	24-28	8-10
1,6	220-265	810	24-28	10-12
2,4	325-350	490	24-28	12-14
3,2	420-440	440	26-30	16-18

Магнієвий сплав МА2-1 відрізняється поганою зварюваністю внаслідок хімічної неоднорідності металу шва, пов’язаною з оплавленням евтектики по границям зерен твердого розчину а також низькою пластичністю металу в зоні термічного впливу при температурі більшій за 430 С.

При використанні зварювального дроту із сплаву марки ВМД можна одержати дрібнозернисту однорідну структуру з твердістю метала шва аналогічній цьому показнику для основного металу.

Автоматичне зварювання стикових поздовжніх і кільцевих швів листового металу товщиною 2-2,5 мм виконується на мідних підкладках із сферичною формуючою канавкою глибиною1-1,5 мм і шириною до 3мм, на параметрах режиму: d =2мм; dприс=2мм; Iзв=120-160A;Vп.е.=40-60м/г; Uд=18-22B;Vзв=12-20м/г; QAr=16-20л/хв.

Після зварювання застосувати відпал для зняття залишкових напружень при Т=250 С протягом 2 год.

Слід мати на увазі, що швидкість плавлення магнієвого дроту вдвічі більша, ніж алюмінієвого при тій же величині зварювального струму.

Надійний захист забезпечується при відстані від сопла до поверхні виробу і від струмоведучого мундштука до зрізу сопла рівній 10-15 і 5-10 мм відповідно.

Вісь електрода складає кут 90° до виробу при зварюванні стикових з’єднань без розчищення або з невеликим розчищенням. При більшій глибині розчищення зварювання ведуть кутом вперед з кутом 7-15° до вертикалі.

Імпульсно-дугове зварювання рекомендується виконувати в газовій суміші 75% Ar + 25% Не.

Електричне контактне зварювання (точкове і шовне) використовують для поєднання листових деталей товщиною 0,3 – 7,0 мм.

Тепло і електропровідність магнієвих і алюмінієвих сплавів збігаються, тому параметри режимів їх зварювання досить близькі.

Очищені поверхні можна зберігати до зварювання у сухому приміщенні лише декілька годин. Неприпустима наявність міді на поверхні звареного виробу після закінчення процеса, це призводить до втрати корозійної стійкості магнієвого сплаву.

Параметри режиму точкового зварювання магнієвих сплавів наведені в табл.1.41, 2.5.

Таблиця 2.5 - Орієнтовні параметри режиму точкового зварювання магнієвих сплавів

Товщина металу, мм	Радіус сфери електрода,мм		Зусилля тиску,кН			Тривалість,с			Iзв, кА
			зварювання	кування		зварювання		кування
На низькочастотних машинах
0,8+0,8 1,0+1,0 1,5+1,5 2,0+2,0 2,5+2,5 3,0+3,0 4,0+4,0	75 75 100 100 150 150 150		2,0 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 8,0	4,0 6,0 8,0 10,0 14,0 20,0 26,0		0,06 0,08 0,10 0,14 0,16 0,20 0,24		0,08 0,10 0,12 0,16 0,20 0,28 0,32	26 28 35 41 43 48 53
На машинах змінного струму
0,8+0,8 1,0+1,0 1,5+1,5 2,0+2,0		50 70 100 100	3,0 4,0 5,0 7,0	- - - -	0,05 0,06 0,08 0,10		- - - -		20 24 27 30

При шовному зварюванні можна вживати ці режими при умові збільшення зварювального струму та зусилля тиску на 5-10%; величина напустки згідно табл.1.47. Міцність зварних точок на відрив становить в середньому 25% цього показника на зріз.

Дроти з магнієвих сплавів можна зварювати стиковим ударно-іскровим способом на режимі в табл.1.60.

Усунення дефектів литва шляхом їх зварювання ускладнено схильністю ливарних сплавів до підвищеного тріщиноутворення внаслідок перевищення швидкості деформації металу в процесі кристалізації і охолодження над його деформаційною здатністю. Існуючі технологічні прийоми рекомендують вести зварювання наскрізних отворів на мідній підкладці, яка також підігрівається разом із виробом до визначеної температури. Особливі труднощі виникають при ремонтних роботах на фасонних відливках, з різними товщинами стінки на сусідніх ділянках. Так, при заварюванні дефектів на тонкостінних ділянках виникають гарячі тріщини внаслідок збільшеного стоку тепла в більш товсті ділянки, розташовані поблизу зварювальної ванни, тому необхідний не тільки попередній, але й супутній підігрів на весь час заварювання дефекту.

Так, при ремонті литва із сплаву системи Mg-Nb-Zr-In марки МЛ9 температура попереднього підігрівання всього виробу становить 300 С; сам процес ведеться на параметрах режиму: d =4мм; Iзв=160-200А. Присадкою слугують прутки з плоскої відливки того ж самого складу перерізу 7-10мм .

Заварювання дефектів литва сплавів системи Mg-Zn-Zr марок МЛ8 і МЛ22 доцільно виконувати з використанням дротів, які за своїм складом відрізняються від складу основного металу, марок Св122 іСв22, легованих лантаном і церієм на параметрах режиму: при товщині стінки відливки до 20мм - d =4мм; dприс=3-5мм; ; Iзв=160-220А; QAr=8-10л/хв. При товщині стінки більше 20мм d =4мм; dприс=5-8мм; ; Iзв=240-280А; QAr=10-12л/хв.

Попереднє підігрівання здійснюються при Т=400-440 С протягом 1,5-2 год. Для знімання залишкових напружень виконується відпал при Т=300-350 С протягом 1,5 год.

Ефективним є використання троьохфазної дуги для цілей заварювання дефектів литва на виробах із сплаву МЛ5. За рахунок зниження швидкості охолодження з 15 до 3 /с в області температурного інтервалу крихкості вірогідність тріщиноутворення знижується у 5 разів. При використанні мідної підкладки з виїмкою напруження знижуються у 2 рази порівняно з гладкою підкладкою, коли виконується наскрізне проплавлення трьохфазною дугою.

Для заварювання поверхневих дефектів литва з магнієвого сплава МЛ10, який дуже погано зварюється розроблено присадний матеріал з 0,06-0,07% Sc, який покращує зварюваність і забезпечує підвищені механічні характеристики.

Як присадку вживають полоски розміром 8х8х200 мм, які одержують розрізанням відлитої пластини заданого складу.