4.3 Алюмінієві бронзи

Бронзами звичайно називають мідні сплави, не вміщуючи цинка. Алюмінієві бронзи виготовляються згідно з ГОСТ 18175-78 «Бронзи безолов’янисті, обробльовані тиском» і маркіруються так: БрА 5 (Al 4-6%, Cu – решта), БрА 7 (Al 6-8%, Cu – решта), БрАМц 9-2 (Al 8,0-10,0%, Mn 1,5-2,5%, Cu – решта), БрАЖМц 10-3-1,5 (Al 9,0-11,0%, Fe 2,0-4,0%, Mn 1,0-2,0%, Cu – решта).

З них виготовляють стрічки, полоси, поковки, труби, прутки. Гребні гвинти, арматуру, корпуси теплообмінних апаратів і інші фасонні вироби виготовляються із цих сплавів, згідно з ГОСТ 493-79 «Бронзи безолов’янисті ливарні», які маркіруються: БрА9Мц2Л (Al 8,0-9,5%, Мn 1,5-2,5%, Cu – решта), БрА9Ж3Л (Al 8,0-10,5%, Fe 2,0-4,0%, Cu – решта), БрА9Ж4Н4Мц1 (Al 8,8-10,0%, Fe 4,0-5,0%, Mn 0,5-1,2%, Ni 4,0-5,0%, Cu – решта).

Ці сплави мають високі механічні, антикорозійні і антифрикційні властивості.

Подвійні алюмінієві бронзи мають однофазну α-структуру, схильні до газонасичення у рідкому стані і до утворення крупнокришталевої стовпчастої структури. Легування їх марганцем, залізом і нікелем суттєво зменшує ці недоліки. Наявність оксидної плівки Al₂O₃ (її товщина може сягати 0,5-1,0мм на поверхні литих деталей) призводить до засмічування зварювальної ванни і сприяє пористості зварних швів, тому треба вживати заходи по боротьбі з нею аналогічні тим, які застосовуються при зварюванні алюмінія. Всі алюмінієві бронзи, за виключенням марганцево-алюмінієвих, мають провал пластичних властивостей в області високих температур, а саме 400-500°С, що приводить до утворення тріщин, особливо при зварюванні ливарних бронз, які менш пластичні порівняно з деформуємими. Ця схильність ще більш проявляється в умовах жорсткого закріплення. Тому треба забезпечувати збільшену швидкість охолодження в цьому інтервалі температур, а при багатопрохідному зварюванні температура попредніх валиків перед накладенням подальших була нижче 200°С. В той же час, коли потребується попереднє підігрівання, його температура має бути не більше 200°С.

Ще одна труднощь при зварюванні складнолегованих алюмінієвих бронз полягає в тому, що з них не виготовляються волочінням дроти того ж самого складу малого діаметра, що стримує використання механізованого зварювання в середовищі захисних газів. Тому для зварювання застосовуються видлиті стрижні із звичайним покриттям або дроти з бронзи БрАМц 9-2 із легуючим покриттям чи в поєднанні з керамічним флюсом. При багатопрохідному зварюванні внаслідок поганого відокремлення шлака важко позбутися в зварному шві шлакових включень. Ця перешкода долається шляхом застосування спеціального композитного дроту, який виготовляється шляхом волочіння мідною стрічки разом з алюмінієвим, сталевим, нікелевим та манганіновим дротами.

Змінюючи розміри стрічки і склад протягнених дротів, можна одержати практично будь-який склад не тільки алюмінієвої бронзи, але і будь якого мідно-нікелевого сплава (табл.4.32), а принципи, покладені в основі розрахунку і технології волочіння таких дротів, дозволяють виготовляти присадний метал діаметром 2-6мм.

Таблиця 4.32 – Складові матеріали і розрахунковий склад композитних дротів для зварювання і наплавлення мідних сплавів

Марка сплава	Складові серцевини дроту	Розрахунковий склад легуючих елементів в дроті, %
БрА12 БрА14 БрАН 12-4 БрАН 14-3 БрАНТ 12-4-1 БрАНЖ 10-2-1 БрАНЖ 12-4-0,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1 МН50	Al Al Al, Ni Al, Ni Al, Ni, Ti Al, Ni, Fe Al, ніхром, Fe Al, Ni, манганин, Fe Ni	Al 12-13 Al 13-14 Al 12-13, Ni 4 Al 13-14, Ni 3 Al 11-12, Ni 4, Ti 0,6 Al 10-11, Ni 2, Fe 0,8 Al 12-13, Ni 4, Cr 0,6, Fe 0,8 Al 8-9, Ni 4, Mn 4, Fe 0,8 Ni 50-52

Примітки: 1. Діаметр готового дроту 2,0-6,0 мм

2. У всіх випадках оболонка дроту з мідної стрічки

Перевагою такої конструкції порівняно з порошковим дротом є те, що всі його компоненти розплавляються в зоні дуги одночасно, так що вже на стадії краплі утворюється сплав заданого складу. Застосування такого дроту у поєднанні із захисним газом дозволяє отримувати багатопрохідні шви без шлакових включень. При зварюванні складнолегованих алюмінієвих бронз можуть виникати додаткові труднощі. При охолодженні із збільшеною швидкістю 50-60 °С/с в бронзі БрМцАЖН 12-8-3-2 фіксується високотемпературна β-фаза з виділенням гольчатої α-фази, тому треба забезпечити її уповільнене охолодження зі швидкістю не більше 8-10 °С/с, а після зварювання піддавати відпалу при Т=550°С. В алюмінієвих бронзах БрА9Ж4Н4 і БрА7Мц14Ж3Н2 після зварювання знижуються показники втоми у морскій воді внаслідок залишкових напружень в зоні термічного впливу. Шляхом відпалу при Т=550°С можна підвищити цей показник до рівня 70-100% його значення для основного метала.

Після зварювання для забезпечення необхідних службових характеристик вироби з алюмінієвих бронз необхідно піддавати для зняття залишкових напружень відпалу по режиму: нагрівання до Т=500-550°С, витримка 3-5г, охолодження з піччю. Вироби складної форми і з підвищеною жорсткістю необхідно нагрівати із швидкістю не більше 120 °С/г, а охолоджувати зі швидкістю не більше 50 °С/г.

Газове зварювання алюмінієвих бронз пов’язано з необхідністю руйнування оксидної плівки Al₂O₃. Що досягається використанням флюсів різних складів: N1 (NaCl – 30%, KCl – 45%, LiCl – 15%, KF – 7%, кислий фосфат натрія – 3%), N2 (NaCl – 45%, KCl – 30%, LiCl – 10%, KF – 15%), N3 (NaCl – 25%, KCl – 50%, LiCl – 14%, NaF – 8%). Присадним матеріалом слугують стрижні того ж самого складу, що і основний метал. Процес зварювання на потужності нормального полум’я 100-150 л/г на 1мм товщини зварюваного метала при умові попереднього підігрівання. Якщо воно відсутнє, потужність збільшується до 125-175 л/г.

Ручне дугове зварювання графітовим електродом застосовується, головним чином для усунення дефектів литва, але може бути використане і для зварювання усіх видів з’єднань невідповідального призначення при товщині метала 3-20мм.

Стикові з’єднання листів товщиною до 5мм виконуються без розчищення кромок за один прохід, при товщинах до 8мм виконується двобічне зварювання також без розчищення кромок, а при товщинах 8-20мм застосовують V-подібне розчищення кромок під кутом 70-90°. Дефекти литва, підлягаючі виправленню, розчищуються механічними способоми до здорового метала для можливості зручного доступу електрода і присадки до всіх місць. Стінки мають бути пологими, а поверхня без гострих кутів і заусенців. Кут між стінками розчищених дефектів має бути рівним 80-90°, а основа розчищення повинна мати плавний перехід з радіусом 3-5мм від стінки до притуплення в корені розчищення, яке має рівнятися 2-3мм. Поверхні розчищення і присадного дроту треба зачистити до металевого блиску і знежирювати ацетоном перед зварюванням, яке ведеться на постійному струмі прямої полярності або на змінному струмі довгою дугою 20-25мм і напругою 40-45 В; інші параметри режима наведені в табл. 4.33.

Таблиця 4.33 – Орієнтовні параметри режима зварювання алюмінієвих бронз графітовим електродом

Товщина метала, мм	dе, мм	dприс, мм	Iзв, А
4-6 6-8 8-10 10-15	4 6 8 10	3-4 4-5 5-6 6-8	60-80 110-130 190-250 280-350

Присадні прутки, як правило, стрижні, відлиті з бронзи тієї ж самої марки; на їх поверхню наноситься флюс різних складів (табл.4.34), який замішується на розчині силиката натрія і просушується при Т=140-160°С; товщина нанесеного шару 0,2-0,4 мм.

Таблиця 4.34 – Склад флюсів для зварювання алюмінієвих бронз графітовим електродом

Номер флюса	Вміст компонентів, % по масі
	Na3AlF6	KCl	NaCl	Na2B4O7 плавлен.	древесне вугілля	NaF	BaCl2
1 2 3 4 5	- 35 25 80 -	45 50 35 - 22	20 12,5 10 - 22	- - 28 - 56	- 2,5 2 - -	15 - - 20 -	20 - - - -

Перед зварюванням конструкції з товщиною стінки більше 10-12 мм необхідне попереднє підігрівання до Т=150-300°С; чим більша товщина стінки і жорсткіше конструкція, тим вище температура підігріву. При зварюванні коротких швів до 300мм підігрівання виконується тільки для першого валика.

Розмір прихваток і відстань між ними, такі ж самі, як і при зварюванні латуней. Починати і закінчувати зварювання треба на заходних і вихідних планках, а при неможливості їх застосування – на основному металі. При заварюванні дефектів литва із наскрізним розчищенням, а також при накладанні першого валика стикового шва треба підформовувати заварювану ділянку в корені шва, використовуючи тимчасові або залишаючися підкладки. В процесі зварювання треба розігрітим кінцем присадного прута проводити такі маніпуляції у зварювальній ванні, при яких з її поверхні очищаються оксиди алюмінія і шлаки, які утворюються в результаті взаємодії флюсів з оксидами алюмінія. Перед нанесенням кожного шару шва необхідно ретельно зачищати поверхню кожного попереднього валика від залишків шлака, інакше у подальших валиках виникають пори. Краще за все це робити шляхом механічної обробки, так щоб поверхня попереднього валика була плоскою чи увігнутою.

При багатопрохідному зварюванні бажано накладати вузькі валики з добрим змочуванням основного метала рідкою ванною і плавним переходом кожного валика до основного метала, що сприятиме одержанню швів без непроварів і шлакових включень.

Ручне дугове зварювання покритим електродом може бути використане для всіх товщин, починаючи з 3мм тільки в нижньому або напіввертикальному положенні. Метал товщиною до 5мм зварюється без розчищення кромок, при товщинах до 14-16мм слід виконувати V-подібне розчищення з кутом розкриття кромок 90° і притупленням 1-2мм, при більших товщинах бажано виконувати Х-подібне розчищення з тими ж самими параметрами. Підготовка дефектних місць, очищення кромок і збирання під зварювання таке ж саме, як і у попередньому випадку. Покриті електроди забезпечують одержання наплавленного метала заданого складу за рахунок використання відлитих електродних стрижнів і нелегуючого покриття або за рахунок використання бронзового дроту і долегування метала шляхом введення необхідної кількості металевих домішок у склад покриття (табл.4.35).

Перед використанням електроди слід прогартувати при Т=350-400°С протягом 2г. Пічь треба розігрівати разом з електродами, а охолоджувати їх до Т=50-100°С також разом з піччю. Зварювання ведеться постійним струмом на зворотній полярності на параметрах режима, наведених в табл. 4.36.

Таблиця 4.35 – Вибір складу електродного стрижня і марки покриття для зварювання алюмінієвих бронз

Склад електродного стрижня	Марка покриття	Тип наплавленого метала
БрАМц 92 БрАЖМц 10-3-1,5 БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 БрАЖН 10-4-4 БрАМцЖН 8-10-3-2 БрАЖМц 10-3-1,5 БрАМц 9-2 БрАЖМц 10-3-1,5 Композитний стрижень будь-якого складу	ЛПИ АБ-1 ЛПИ АБ-1 ЛПИ АБ-1 ЛПИ АБ-1 ЛПИ-48-МАБ-1 ЛПИ-ИЖ-АБ-7 ЛПИ-ЛКЗ-АБ-4 ЛПИ-48-АБ-5 ЗМИ-1 (Na3AlF6 58%, NaF 38%, графіт 4%)	БрАМц 9-2 БрАЖМц 10-3-1,5 БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 БрАЖН 10-4-4 БрАМцЖН 8-10-3-2 БрАЖНМц 7-2,5-1,5-9 БрАНМцЖ 8-3-4-1,5 БрАЖНМц 8,5-4-4-1,5 Будь-якого складу

Таблиця 4.36 – Орієнтовні параметри режима ручного дугового зварювання стикових з’єднань алюмінієвих бронз покритими електродами

Тип шва і вид з’єднання	Товщина метала, мм	dе, мм	Iзв, А для номера прохода	Число проходів
Однобічний без розчищення кромок на зйомній підкладці	4	5	180-190	1
Те ж саме з V-подібним розчищенням кромок	10	5	190-210 перший, 180-190 подальші	5
Двобічний з Х-подібним розчищенням кромок	20	5	190-210 перші 5,	10
		6	210-230 подальші

Швидкість плавлення бронзових електродів у півтора рази більша, ніж сталевих, тому треба збільшувати і швидкість зварювання. Поперечні коливання електрода не повинні перевищувати трьох його діаметрів, в цьому процесі треба передбачати миттєві затримки на кромках з’єднань для гарантованого їх проплавлення, особливо, на V i U-подібних розчищеннях. Шлак треба вилучати з поверхні кожного валика з максимальною ретельністю, краще за все треба поверхню валика механічно обробляти на глибину 0,5мм.

Ручне дугове зварювання вольфрамовим електродом застосовується для зварювання усіх типів зварних з’єднань товщиною до 20мм у всіх просторових положеннях при заварюванні дефектів литва невеликого об’єму, а також для наплавлення тонких шарів бронзи з невеликим проплавленням основного метала. Стикові однобічні шви без розчищення кромок з мінімальними зазорами можна зварювати при товщинах до 5мм, таким же чином можна зварювати двобічними швами метал товщиною 6-8мм , при більших товщинах застосовують V-подібне (для товщин 10-12мм) чи Х-подібне розчищення (більше 12мм). Кут розкриття має бути рівним 85-90° з притупленням в стику не більше 2мм. Прихватку і виконання першого прохода можна робити за допомогою менш легованих присадних дротів, чим основний метал, наприклад, з бронзи БрАМц 9-2 або прутком марки ОК Autrod 19.40* (Al 7,9%, Mn 0,1%, Si 0,05%), однак для подальших швів присадний дріт має бути того ж складу, що і зварюваний метал. Висота прихваток має дорівнювати 3-6мм і бути не більшою в перерізі за 0,5-0,25 перерізу шва, довжина 10-20мм, а відстань між ними – 50-100мм. Зварювальний струм при постановці прихваток має бути на 20-30% більше того, який необхідний для зварювання конструкції. Самі прихваточні шви повинні мати плоску або увігнуту форму. При товщині метала більше 10-12 мм зварювання ведеться з попереднім підігрівом Т=150-200°С, на змінному струмі на параметрах режима, наведених в табл. 4.37.

Таблиця 4.37 – Орієнтовні параметри режима зварювання алюмінієвих бронз вольфрамовим електродом в аргоні

Підготовка кромок	Товщина метала, мм	Прохід	dприс, мм	Iзв, А	QАr, л/хв	Число проходів
Без розчищення	1,5	-	2	105-170	3-4	1
	2,0	-	3	115-210	4-5	1
	3,0	-	3	150-240	4-5	1
	4,0	1-й, 2-й	3	115-220	4-5	2
V-подібне	5	1-й підварювальний	4 3	115-260 150-220	5-6	2
	6	1-й 2-й підварювальий	3 4 4	150-260	6-7	3
	10	1-й 2-й 3-й підварювальний	3 5 6 3	150-260 150-260 150-300 150-260	7-8	4
	12	1-й 2-й 3-й 4-й підварювальний	3 5 6 6 3	190-260 190-300 220-340 220-340 190-260	8-10	5
Х-подібне	19	1 і 2-й 3 і 4-й 5 і 6-й	3 5 6	190-300 190-340 220-410	10-12	6
	25	1 і 2-й 3 і 4-й 5-6-й 7-8-й	3 5 6 6	190-300 220-340 220-410 260-450	12-14	8

Примітка: Діаметр вольфрамового електрода вибирається згідно з даними табл.1.10

Збуджувати дугу треба на графітовій пластині, розташованій поруч з початком шва. Після розігріва торця електрода дуга переноситься на основний метал. Пальник і присадний пруток треба розташовувати в площині, перпендикулярній до поверхні зварюваних деталей, яка проходить через ось розчищення.

Кут нахилу вісі пальника до вісі шва має складати 70-90°, наближаючися до 90° із збільшенням товщини металу, а сам пальник треба переміщувати кутом вперед. Присадний пруток подається під кутом нахилу 10-15° до вісі шва, його вводять таким чином, щоб він попадав в ореол дуги на краю зварювальної ванни і весь час знаходився в зоні газового захисту. При його попаданні в стовп дуги це призведе до розбризкування зварювальної вани і забруднення торця вольфрамового електрода. При зварюванні метала товщиною до 4-5мм пруток вводиться у ванну зворотно-поступовими рухами вздовж вісі шва; при зварюванні більших товщин прутком виконують серповидні поступово-коливальні рухи поперек зварювальної вани. Витрата захисного газа повина бути достатньою, але не надмірною, тому що це сприятеме охолодженню зварювальної ванни і буде викликати блукання дуги по поверхні вироба.

* Виріб фірми ESAB, Швеція

При багатошаровому зварюванні треба накладати валики плоскої або увігнутої форми для забезпечення міжваликового сплавлення. Якщо валики утворюються опуклої форми, треба їх механічно обробити до бажаної форми.

Механізоване дугове зварювання плавким електродом у захисних газах виконується при виготовленні конструкцій будь-якої товщини та при всіляких ремонтних роботах.

Підготовка кромок під зварювання виконується в залежності від товщини метала і можливості кантування вироба.

При його товщині не більше 6-8 мм можливе однобічне зварювання із зазором в стику 0-1 мм, при товщинах 8-10 мм і можливості кантування вироба виконується двобічне зварювання без розчищення кромок і з зазором до 2мм.

При товщинах до 20-22 мм виконується V-подібне розчищення з кутом розкриття кромок 60° для товщин до 10-12 мм і 70° для більших товщин. При товщині вироба більше 20-22 мм виконується Х-подібне розчищення з кутом розкриття кромок 70°, або U-подібне. При всіх видах розчищення притуплення складає 4-6 мм.

Розчищення дефектів литва слід виконувати з урахуванням зручності ведення процеса заплавлення. Дефектні місця зачищаються до здорового метала з обов’язковим плавним виводом розчищення на поверхню без різких переходів, кутів, гострих кромок і заусенців.

Кут сумарного розкриття кромок має бути не меншим 40° при U-подібному розчищенні і 70° при V-подібному. Сама поверхня повинна бути зачищена від забруднень і промита уайт-спірітом, чотирьоххлористим вуглецем або ацетоном. Неочищений зварювальний дріт сприяє несплавленню і пористості, тому його також треба піддавати обробці, користуючись рецептами:

1. Знежирення в розчині NaOH (15 г/л), тринатрійфосфат (50 г/л), Na₂CO₃ (50 г/л), силікат натрія (5 г/л), промивка в технічній воді, травлення протягом 1-4 хв в розчині сірчаної кислоти (80-120 г/л), промивка в технічній воді, освітлення протягом 5-10 с в розчині: хромовий ангидрид (80-150 г/л), сірчана кислота (25-34 г/л), NaCl (1,5-2,5 г/л), промивка в технічній воді, сушіння.

2. Травлення в розчині: ангидрид хромовий технічний (80-100 г/л), кислота сірчана технічна (3-4 г/л) при температурі 18-20° С протягом 25-30 хв; промивка в проточній воді, вилучення продуктів травлення щіткою, сущіння стиснутим повтрям.

3. Травлення в ванні такого склада, г/л: HNO₃ конценрирована 250, H₂SO₄ концентрирована 700, HCl концентрировна 40. Температура розчина 18-25°С, час травлення 2-3 хв, потім промивання в проточній воді і просушування на відкритому повітрі при Т=20-25°С.

Найкращий результат досягається при хімічному травленні і електролітичному поліруванні, яке сприяє більш повному вилученні адсорбованої вологи.

Алюмінієві бронзи дуже рідкотекучі, тому при накладанні першого валика необхідно застосовувати зйомні або залишаючися підкладки. Якщо це неможливо, треба передбачити механічну обробку для розчищення кореня шва з протилежного боку для вилучення плен оксидів і можливих несплавлень.

Прихватку можна виконувати вручну аргонодуговим способом вольфрамовим електродом на змінному струмі або напівавтоматичним способом плавким електродом на постійному струмі зворотної полярності, застосовуючи присадний метал, аналогічний по складу основному. Прихваточні шви повинні мати таку довжину і переріз, щоб витримати напруження, виникаючі при накладанні кореневого валика. Як і раніше було сказано, прихваточні і основні шви повинні мати плоску або увігнуту форму з плавним переходом до стінок розчищення кромок. Прихватка ведеться на тих же параметрах режима, що і зварювання; вони наведені в табл. 4.38, 4.39.

Таблиця 4.38 – Орієнтовні параметри режима автоматичного зварювання нелегованих алюмінієвих бронз плавким електродом в аргоні.

Вид шва і підготовка кромок	Товщина метала, мм	dе, мм	Iзв, А	Uд, В	Vзв, м/г	Виліт електрода, мм	QАr, л/хв	Число проходів
Однобічний без розчищення	3	1-1,5	160-190	22-25	20-25	10-16	9-11	1
Двобічний без розчищення	8-10	2-4	375-450	31-36	30-35	20-35	14-16	2
Однобічний з V-подібним розчищенням	8-10	2-4	300-400	29-33	25-32	20-35	15-16	2
Те ж саме	14-16	2-5	400-650	33-38	20-25	20-40	16-20	2 з під-варюванням
Двобічний з Х-подібним розчищенням	24-26	2-5	400-800	33-42	18-30	20-40	16-20	2+3
	35	2	350-400	32-34	12-14	20-25	14-16	5+2

Таблиця 4.39 – Орієнтовні параметри режима напівавтоматичного зварювання легованих алюмінієвих бронз плавким електродом в аргоні.

Тип бронзи	Марка присадного дрота	dе, мм	Iзв, А	QАr, л/хв
Алюмінієвонікелева	БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5	1,6 2,0	260-310 310-360	14-16 15-17
Марганцево-алюмінієва	БрМцАЖН 12-8-3-2	1,6 2,0	250-300 300-350	14-16 15-17
БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5	БрАНМцЖ 8-3-4-1К (композитна)	2,8	360-380	15-16

В процесі зварювання довжину дуги треба підтримувати у межах 3,2-4,8 мм, інакше у зварному шві при одношаровому зварюванні може утворюватися дрібна пористисть, а при багатошаровому – груба пористисть. При оптимальній довжині вздовж кромки зварного з’єднання з’являється тонкий шар темної сажі, який легко вилучається дротяною щіткою. Для якісного захисту плавильного простору відстань між зрізом сопла пальника і поверхнею зварювального метала має бути мінімальною, а струмінь газа достатньо жорстким, що забезпечується відповідною формою і діаметром сопла пальника (16-20 мм), а також витратою газа. В процесі зварювання кут нахилу пальника при лівому способі має бути рівним 80° від вертикалі у бік, протилежний напрямку зварювання.

Зварювання слід виконувати окремими валиками на можливо більшій швидкості, слідкуючи за тим, щоб площа перерізу валика була у межах 20-40 мм². При зварюванні алюмінієвонікелевих бронз, які мають провал пластичності, після кожного прохода слід робити перерву для охолодження його до Т=150°С. Зварювання марганцево-алюмінієвих бронз виконується по звичайній технології без перерв на охолодження. Перед накладанням подальших швів попередні треба ретельно зачищати і, якщо потрібно, зашліфовувати для одержання увігнутої або плоскої поверхні. Кожний подальший валик повинен перекривати попередній не більше, ніж на одну треть.

Заварювання дефектів литва з алюмінієвих бронз дуже ефективно виконувати напівавтоматичним способом у середовищі аргона плавким електродним дротом діаметром 2,8 мм відповідного склада композитної конструкції на параметрах режима: I_зв=350-380 А, U_д=24-26В, Q_Ar=16 л/хв., виліт електрода 25 мм. Перевагою способу є певна відсутність шлакових включень при високій продуктивності процеса.

Автоматичне зварювання алюмінієвих бронз під флюсом застосовується для товщин 5-60 мм.

При товщині метала 5-15 мм зварювання ведеться без розчищення кромок двобічними швами, хоча можливе і однобічне зварювання на флюсовій подушці, зйомних або залишаючихся підкладці. Для товщин 20-22 мм виконують V-подібне розчищення з кутом розкриття 60-70° і притупленням 4-6 мм. При більших товщинах і можливості виконання двобічного шва роблять Х-подібне розчищення. При товщинах більше 40 мм і неможливості двобічного зварювання доцільно використання однобічного розчищення з ломаним скосом кромок. Кут розчищення в корені шва має бути не менше 70° на товщині перерізу 20-25 мм і 30-40° на залишившийся частині перерізу кромок стика. Зачищення поверхні під зварювання і присадного дроту виконується, як було описано раніше.

Збирання під зварювання виконується вручну вольфрамовим електродом, вимоги до прихваток були сформульовані вище.

Для зварювання алюмінієвих бронз треба застосовувати дроти того ж самого складу, що і основний метал, і спеціальні керамічні флюси, які можуть підлеговувати метал шва, не окислюють легуючи компоненти бронз і краще вилучають неметалеві включення оксида алюмінія (табл. 4.40). Стандартні плавлені флюси АН-20, АН-42, АН-43, АН-60 не забезпечують одержання рівноцінних зварних з’єднань, хоча для деяких конструкцій можна їх застосовувати на параметрах режима в таблиці 4.41.

Таблиця 4.41 – Орієнтовні параметри режима автоматичного зварювання під флюсом АН-20 алюмінієвих бронз марок БрАМц 9-2, БрАЖ 9-4, БрАЖМц 10-3-1,5 дротом марки БрАМц 9-2 діаметром 5 мм на постійному струмі зворотньої полярності.

Підготовка кромок	Товщина метала, мм	Iзв, А	Uд, В	Vзв, м/г	Примітка
Без розчищення V-подібне розчищення	10 15	450-470 550-570 650-670 650-670	35-36 35-36 36-38 36-38	25 25 20 25	двобічне зварюваня перший прохід другий прохід підварювальний шов
Х-подібне розчищення	25	750-770 800-820	36-38 36-38	25 20	перші проходи другі (зовнішні) проходи

Зварювання ведеться для кращого газовилучення по шару флюса висотою 25-30 мм. Зварювання легованих алюмінієвих бронз рекомендується вести із застосуванням матеріалів і параметрів режима, наведених в таблиці 4.42. Механічні властивості зварних з’єднань такі ж самі, як і у основного метала.

Таблиця 4.40 – Матеріали для автоматичного зварювання під флюсом алюмінієвих бронз

Основний метал	Зварювальні дроти	Марка флюса	Склад флюса, % по масі
			NaF	CaF2	NaCl	BaF2	KF	Na3AlF6	FeMn	Ni	Fe
БрАЖМц 10-3-1,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5 БрАЖНМц 72,5-1,5-9 БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5	БрАЖМц 10-3-1,5 БрАМц 9-2 БрАЖМц 10-3-1,5 БрАЖМц 10-3-1,5 БрАНМцЖ 8-3-4-1К (композитний)	ЛПИ – К1 ЛПИ – К2 ЛПИ – К3 ЛПИ – К4 ЛПИ – К5	- 20 40 36 -	20 20 15 20 20	20 20 20 20 20	- 9 - 6 18	20 - - - -	40 - - - 32	- 10 20 - -	- 9 5 14 -	- 2 - 4 -

Таблиця 4.42 – Матеріали і орієнтовні параметри режима автоматичного зварювання під флюсом легованих алюмінієвих бронз на постійному струмі зворотної полярності

Основний метал

Зварювальний дріт

Марка флюса

Iзв, А

Uд, В

Vзв, м/г

Марка

Товщина, мм

Марка

dе, мм

БрАЖМц 10-3-1,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5 БрАНМцЖ 8,5-4-4-1,5 БрАЖНМц 7-2,5-1,5-9 БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 БрАЖНМц 8,5-4-5-1,5 БрАЖ 9-4, БрАМц 9-2

35 35 40 60 60 60 40 35 60 15

БрАЖМц 10-3-1,5 БрАМц 9-2 БрАМц 9-2 БрАМц 9-2 БрАМц 9-2 БрАЖМц 10-3-1,5 БрАЖМц 10-3-1,5 АНМцЖ 8-3-4-1К (композитний) АНМцЖ 8-3-4-1К (композитний) БрАМц 9-2

6 3 4 5 6 6 6 2,8 2,8 3

ЛПИ-К1 ЛПИ-К2 ЛПИ-К3 ЛПИ-К2 ЛПИ-К2 ЛПИ-К3 ЛПИ-К4 ЛПИ-К5 ЛПИ-К5 АН-60+17%CaCO3

550-600 380-400 430-450 480-500 500-550 500-550 500-550 380-400 400-420 300-350

34-38 28-30 30-32 32-34 34-38 34-38 34-38 28-32 30-34 32-36

36 21 25 28 36 25 28 22 30 24

Наплавлення алюмінієвих бронз застосовують для надання спеціальних властивостей поверхневому шару деталей машин. При цьому використовують сплави міді з 10-12% алюмінія, які при переході із рідкого стану до твердого мають однофазну β-структуру, яка при уповільненому охолодженні після 350° переходить до двофазового стану α+γ₂. Та в умовах наплавлення при великій швидкості охолодження високотемпературна β-фаза лишається нерозпавшейся і знаходиться у метастабільному стані. При специфічній дії деяких видів навантаження, наприклад, мікроударного, що має місце при кавітаційній ерозії, β-фаза здатна до бездифузійного перетворення в мартенситоподібну β΄-фазу, реалізуючи таким чином механізм самозміцнення, який також діє і в деяких сталях шляхом подібних перетворень в залишковому аустеніті (вуглецевому, хромомарганцевому, хромонікелевому) з утворенням мартенситоподібних фаз α΄, ε΄ і т.і.

Завдяки цьому можна знвчно підвищити зносостійкість поверхневого шару і тим самим подовжити строк служби деталей машин. Наприклад, латунні гребні гвинти швидкохідних суден на підводних крилах працюють в умовах кавітаційної ерозії, внаслідок чого на їхніх лопатях з’являються специфічні пошкодження, які виводять їх з ладу. Гвинти відливаються з латуней марок ЛЦ40Мц3Ж1 і ЛЦ24А5Мц2Ж2, вони мають 5-6 лопатей складної конфігурації і змінного перерізу, що значно ускладнює технологію і техніку проведення наплавних робіт.

Вилучення пошкодженого метала виконується згідно з положеннями, викладеними раніше. Підготовлений до наплавлення гвинт закріпляється в спеціальному маніпуляторі, який забезпечує можливість проведення наплавлення у найбільш зручному нижньому положенні (рис.4.4). Перед наплавленням гвинт підігрівається газовим пальником до Т=300-350°С. Хоча це і збільшує залишкові деформації лопатей, але дозволяє уникнути утворення тріщин в наплавленому металі.

Рисунок 4.4 – Латунний гребний гвинт, наплавлений алюмінієвою бронзою

В загальному випадку місце, яке підлягає наплавленню, має закруглену конфігурацію різного ступеня глибини, тому в залежності від кількості необхідного наплавленого матеріала процес виконується на одній лопаті за один прийом при площі до 50 см² або за декілька врозкид при більшій площи. Наплавлення ведеться в середовищі аргона вольфрамовим електродом змінним струмом на параметрах режима: d_Wе = 6 мм; I_зв = 290-360 А; U_д =27-29 В; d_прис = 4мм (композитний дріт марки БрАН14-3). Витрата аргона – 18-20 л/хв. Перший валик накладається посередині підготовленого місця, інші згідно зі схемою, наведеною на рис. 4.5. В цьому випадку наплавлення ведеться врозкид, другий шар накладається через деякий час, щоб не було перегрівання лопаті і значної деформації. Після виконання кожного валика він ретельно зачищається металевою щіткою для вилучення оксидної плівки і бризок метала. Процес наплавлення неплавким електродам забезпечує мінімальне проплавлення основного метала і одержання заданого розрахункового склада в поверхневому шарі при невеликій деформації лопатей. Після механічної обробки наплавлених місць перевіряється геометрія лопатей за допомогою крокового косинця, і при необхідності вони піддаються правленню з підігрівом газового пальника. Завдяки розробленій технології, матеріала і техніці виконання робіт стійкість гребних гвинтів підвищилась у декілька разів.

Рисунок 4.5 – Послідовність накладання валиків при наплавленні пошкодженого місця першим шаром:

а – вид зверху; б - у поперечному перерізі

Частіше наплавляються алюмінієвою бронзою сталеві поверхні, працюючи у вузлах тертя, наприклад, кільця і ребра ротора живильника низького тиску установок безперервної варки целюлози (рис. 4.6), який подає до пропарочної камери з тиском 2 ат технологічну щепу і одночасно відокремлює її від атмосфери звичайного тиску, тобто виконує роль постійно обертаючогося конусного пробкового крана, притертого до конусного корпуса з нержавіючої сталі. Ця апаратура працює в умовах напівсухого тертя при корозійноабразивному впливі, тому наплавлений шар алюмінієвої бронзи повинен мати високу твердість у поєднанні з корозійною стійкістю і антифрикційними властивостями. Цим вимогам відповідає наплавлений метал типа бронзи БрАН 12-3, який наноситься у 2-3 шари на поверхню ротора, виготовленого із сталі Ст3, вручну покритими електродами або автоматично плавким електродом в аргоні (табл. 4.42). В обох випадках стрижень і дріт мають композитну конструкцію.

Позитивні результати були досягнуті при наплавленні бронзи БрАМц 9-2 розщепленою дугою з поперечними коливаннями під флюсом АН-26П на параметрах режима, наведених в табл. 4.43.

Рисунок 4.6 – Конструкція ротора живильника низького тиску:

1 – сталева стінка кармана

2 – робочий шар з високоалюмінієвої бронзи

Таблиця 4.43 – Орієнтовні параметри режима наплавлення алюмінієвих бронз на сталь на потійному струмі зворотної полярності

Спосіб наплавлення	Марка бронзи	dе, мм	Iзв, А	Uд, В	QАr, л/хв	Vзв, м/г
Ручне дугове покритим електродом	БрАН 14-3	4-5	170-240	28-30	-	-
Механізоване плавким електродом в аргоні	БрАН 12-3	2,8	240-260	24-25	16	25
	БрАМц 9-2	2	215-230	22-23	10-12	-
Автоматичне під флюсом АН-26П розщепленою дугою*	БрАМц 9-2	4	430-450	38-40	-	15
Плазмове струмоведучим дротом**		2	230-250	36-38	15-17	12
			320-350	42-45

Примітки: * Постійний струм прямої полярності.

** В чисельнику – І прохід, в знаменнику – другий.

Таким способом можна значно знизити вміст заліза в наплавленому металі і збільшити продуктивність в 2-4 рази порівняно з використанням одного електрода без коливань. Плазмове наплавлення тієї ж бронзи на параметрах режима, наведених в табл. 4.43, виконується при накладанні першого валика попереднім підігріванням сталі товщиною 15-25 мм до Т=100-150°С, а зварювальний дріт також підігрівається на вильоті електрода довжиною 80 мм між двома трубчатими струмопідводами. Плазмотрон має сопло діаметром 8 мм, а витрата плазмоутворюючого газа становить 5-6 л/хв.

Плазмовим наплавленням мідних сплавів поверхні можна отримати добру якість наплавленого метала, застосовуючи плазмотрон і струмопровідний дріт. Наплавлення на оптимальних режимах забезпечує надійне сплавлення по всій ширині з мінімальним розплавленням сталі при мінімальному часі контактування рідких фаз з утворенням тонкої зони сплавлення змінного складу, мінімальний перехід заліза в наплавлений мідний сплав.

Вибір параметрів режима залежить головним чином від товщини сталі (і дуже мало від її марки, діаметра і хімічного складу присадного дроту) та інших характеристик, наведених в табл. 4.44, 4.45.

Таблиця 4.44 – Орієнтовні параметри режима плазмового наплавлення мідних сплавів на сталь

Товщина метала, мм	dWе, мм	I, А	U, В	L, мм	α,°	Vн, м/г	Спосіб наплавлення
Алюмінієві бронзи типа БрАМц 9-2
4 8 20	3 3 4 4 4	100-110 110-120 140-150 140-150 170-180	52-54 52-53 49-50 49-50 44-46	10-12 10-12 9-10 9-10 9-10	58 58 55-56 55-56 53-54	12 9 9 6 6	б/к з/к б/к з/к з/к
Кремнемарганцева бронза БрКМц 3-1
1 2 5 8 10 18 22 40 60	3 3 3 3 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5	90-100 100-110 105-115 100-110 140-150 140-150 160-170 160-170 160-170 160-170 180 180 190 190 200 200 210	55 55 55 55 52 52 51 52 52 52 50 49 48 48 47 47 46	16 16 16 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 12 12 10-12	60 60 60 60 58 58 53 59 57 57 55 54 52 51 50 50 50	22 18 19 17 9 5 9 5 7 5 5 5 6 5 5 4 4	б/к б/к б/к з/к б/к з/к б/к з/к б/к з/к б/к з/к б/к з/к б/к з/к з/к
Міднонікелеві сплави типа МНЖ 5-1
4 8 20	3 3 4 4 4	120-130 120-130 170 170 200	51-53 51-53 45-46 45-46 42-43	12-14 12-14 12-14 12-14 12-14	57-58 57-58 55-56 55-56 52-53	10 8 8 5 4	б/к з/к б/к з/к з/к

Примітки: 1. Діаметр присадного струмопровідного дроту 2 мм.

2. Струм і напруга допоміжної дуги між вольфрамовим електродом і соплом плазмотрона 20-22 А і 10-12 В відповідно.

3. Витрата захисного і плазмоутворюючого газа аргона 20-22 л/хв і 2,5 л/хв відповідно.

4. L - відстань від присадного дроту до вироба.

5. α – кут нахилу головки плазмотрона у напрямку зварювання.

6. б/к – без поперечних коливань, з/к – з поперечними коливаннями плазмотрона.

Таблиця 4.45 – Орієнтовні параметри режима плазмового наплавлення мідних сплавів на сталі різних структурних класів

Основний метал		Марка мідного сплава	I, А	U, В	Vн, м/г	Спосіб наплавлення
Марка сталі	Товщина або діаметр, мм
Ст45 Ст45 Ст60 Ст60 Х25Т 2Х13	5 Ø45 5 20 Ø 30 Ø 30	БрКМц 3-1	130-140 180-190 125-135 160-170	50-51 42-43 51-52 44-46	6 4 6 4	З поперечними коливаннями
			180-190 180-190	39-40 40-42	9 8	Подовжними валиками без коливань
У10 Х17Н2 Х18Н12Т Х18Н12Т 1Х18Н9Т	8 12 8 20 10	МНЖ 5-1	140-150 160-170 130-140 150-160 140-150	46-47 44-46 48-50 46-48 48-50	6 5 5 5 5	З поперечними коливаннями

Спочатку збуджується дуга між вольфрамовим електродом і соплом за допомогою спеціальної запальнички із графітового стрижня, закріпленого на рукоятці – ізоляторі, шляхом введення її в канал сопла і вилучення звідти або осцилятора. З виходом плазмового струменя із сопла – канала головка деякий час працює на холостому ходу до стійкого горіння дуги, яке в значній мірі визначається, вірно чи ні підготовлений та встановлений вольфрамовий електрод. Останній повинен бути заточений на конус, і його кінець має знаходитися на рівні входа в канал сопла і бути розташованим точно по центру канала. Після цього включається подача присадного дроту і збуджується основна дуга між вольфрамовим електродом і присадним дротом. Починається плавлення електродного метала і надходження його на поверхню вироба з утворенням зварювальної ванни і розтікання рідкого перегрітого метала на поверхні вироба. В цей момент вмикається переміщення автомата або вироба при нерухомому автоматі.

Кут нахилу головки плазмотрона до вироба встановлюється таким, щоб поток плазмового струменя і крапель розплавленного метала був направлений нормально до поверхні ванночки. Процес здійснюється таким чином, щоб краплі розплавленого електродного метала надходили тільки в рухаючуюся по поверхні вироба ванночку на відстані 2-3 мм від її головної частини. Зручніше і надійніше процес вести так, щоб дріт подавався слідом за рухом зварювального автомата, тобто за переміщуваною по виробу ванною. При використанні коливального механізму останній краще вмикати при нерухомому автоматі після утворення ванночки електродного метала на поверхні вироба.

Таким чином підплавлення основного метала і сплавлення його з наплавленим здійснюється за рахунок тепла перегрітих в дузі крапель електродного метала і частково факела плазмового струменя.

При будь-якій ширині наплавляємого валика рекомендується застосовувати поперечні коливання головки плазмотрона. Це забезпечує сталу температуру нагріву поверхні основного метала, однакову тривалість взаємодії твердої і рідкої фази металів і перехід елементів з основного метала в наплавлений і навпаки. Наплавлений валик має плавний перехід від основного метала до наплавленого, що забезпечує кращі умови для сплавлення валиків і для одержання широкого шара. Амплітуда коливань залежить від заданої ширини валика і лежить у межах 10-50 мм, а частота коливань – 20-40 кол/хв. Кожний подальший валик має перекривати попередній на 8-12 мм. При необхідності одержання шару більшої товщини виконується багатошарове наплавлення, причому при наплавленні другого і подальших шарів потребується ретельно зачищати попередні від шлака, оксидів, бризок і т.і.

При наплавленні тіл обертання процес ведеться по гвинтовій лінії, що забезпечується безперервним обертанням деталі і поступовим переміщенням вздовж виробу зварювального автомата. Величина амплітуди коливань головки плазмотрона вибирається меньшою порівняно з наплавленням на пластину – 25-30 мм. Цим способом можна наплавити тіла обертання, починаючи з діаметра 30-40 мм і більше; плазмова головка зміщується на 3-5 мм від осьової лінії проти напрямку обертання виробів діаметром 30-100 мм. При більших діаметрах це робити не обов’язково. Міцність зчеплення наплавленого шару з основним металом знаходиться на рівні міцності самого наплавляємого метала чи трохи вищою.

Електричне контактне зварювання алюмінієвих бронз виконується на параметрах режима близьких до зварювання міді, але потребується їх коректування у відповідності з даними табл. 1.45, 1.54 і 1.55.