Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
Недостатки этих сплавов – высокая стоимость и дефицитность, а
также большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Поэтому данные сплавы не рекомендуется применять для заварки трещин
в изделиях, которые несут силовую нагрузку. Заварка же отдельных
мелких раковин позволяет получить хорошие результаты, так как обеспечивает возможность последующей механической обработки.
В промышленности
находят применение электроды марок МНЧ-1
со стержнем из монель-металла и МНЧ-2 со стержнем из константана с
покрытием основного вида. Сварку выполняют электродами диаметром
3…4 мм ниточным швом, короткими участками при возвратнопоступательном движении электрода, не допуская перегрева детали, для
чего рекомендуются перерывы для охлаждения. Наплавленные валики в
горячем состоянии следует
тщательно проковывать ударами легкого
молотка.
Для заварки отдельных небольших дефектов на обрабатываемых
поверхностях отливок ответственного назначения из серого и высокопрочного чугуна и при ремонте оборудования из чугунного литья, используют также железоникелевые электроды со стержнем из сплава, содержащего 40…60 % Ni и 60…40 % Fe. Примером электродов такого
типа могут служить электроды марок ЦЧ-3
А и ОЗЖН-1. Стержень электродов выполнен из проволоки Св-08Н50 по ГОСТ 2246–70. Состав
наплавленного металла включает: 48 % Ni, по 2 % Si и Mn, остальное –
железо.
При повышенных требованиях к чистоте обрабатываемой поверхности при наличии ударных нагрузок для заварки указанных дефектов
используют никелевые электроды марок ОЗЧ-3. Стержень электрода –
никелевая проволока марки НП-2 по ГОСТ 2195-75.
последнее время для холодной сварки чугуна нашла широкое
В
применение проволока марки ПАНЧ-11, обеспечивающая аустенитную
структуру металла шва (высоконикелевый сплав) и хорошие механические свойства сварного соединения. Данная проволока – самозащитная,
сплошного сечения диаметром 1,0…1,2 мм, предназначенная для сварки
постоянным током прямой полярности (100…140 А) без дополнительной защиты.
Вопросы для самопроверки
1. Как классифицируются чугуны? Укажите их обозначение.
2. Какие элементы обладают наибольшим графитизирующим действи-
ем?
3. Назовите основные факторы, затрудняющие сварку чугунов.
4. Перечислите особенности сварки чугуна.
101
5. Назовите наиболее эффективное средство предотвращения отбелива-
ния металла шва и околошовной зоны.
6. Из каких операций состоит технологический процесс горячей сварки
чугуна покрытыми электродами?
7. Назовите марки электродов, наиболее широко применяемых при горя-
чей сварке чугуна.
8. Какие средства воздействия на металл шва используют при холодной
сварке чугуна для обеспечения качества сварных
9. Назовите главные условия, предъявляемые к сварочным материалам
для получения в металле шва серого чугуна.
10. Как можно получить в наплавленном металле низкоуглеродистую
сталь при сварке чугуна?
11. Какие способы используют при сварке чугуна для получения швов с
высокой пластичностью?
12. Укажите состав электродов из цветных сплавов для холодной сварки
чугуна.
сплавов.
гуна.
Назовите преимущества и недостатки сварки электродами из цветных
13. Назовите способы механизированной горячей и холодной сварки чу-
соединений?
102
7. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
7.1. Характеристика алюминия и его сплавов
Алюминий относится к числу наиболее распространенных в земной
коре металлов (7,45 %). Однако в чистом виде алюминий в природе не
встречается. Наиболее распространенные алюминиевые руды – бокситы, состоящие из гидратов оксида алюминия AlO(OH), Al(OH)
содержащих в своем составе до 70 % глинозема Al
кремнезема SiO
и пустой породы. Производство металлического алю-
2
c примесью
2O3
миния состоит из двух основных процессов: получение глинозема Al
из бокситов и получение электролизом алюминия из глинозема, растворенного в расплавленном криолите (Na
AlF6).
3
Алюминий – легкий металл серебристо-белого цвета. Температура
плавления – 658 °С, температура кипения – 2270…2500 °С. Алюминий
не имеет полиморфных превращений, обладает гранецентрированной
кубической решеткой с периодом α = 0,4041 нм. Наиболее важной характеристикой алюминия является низкая плотность: 2,7 г/см
3
7,8 г/см
для железа и 8,9 г/см3 для меди. Алюминий обладает высокой
электрической проводимостью, составляющей 65 % от электропроводности меди.
В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты
А999 (99,999 % Al), высокой чистоты А995 (99,995 % Al), А99 (99,99 %
Al), А97 (99,97 % Al), А99,95 (99,95 % Al) и технической чистоты А85,
А8, А7, А6, А5, А0 (99,0 % Al). Технический алюминий изготовляют в
виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и
маркируют АДО и АД1. Постоянными примесями алюминия являются
Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Ti.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие
образования на его поверхности тонкой прочной защитной пленки
Al
. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.
2O3
Отожженный алюминий высокой чистоты имеет низкую прочность
= 50 МПа) и высокую пластичность (δ = 50 %).
(σ
в
Благодаря высокой пластичности в отожженном состоянии чистый
алюминий легко поддается штамповке, прессовке, холодной протяжке, в
результате чего происходит измельчение зерен алюминия – появляется
наклеп, повышающий прочность и твердость металла и снижающий
пластичность. При обжатии его до 40 % чистый алюминий приобретает
полунагартованное состояние. В этом состоянии его прочность
дость возрастают почти в два раза. Для такого же упрочнения большинства алюминиевых сплавов требуется гораздо меньшая степень обжатия
и др.,
3
2O3
3
против
и твер-
103
(от 5 до 20 %). Прессовкой изготовляют разнообразные профили и тру-
бы, в том числе замкнутые.
Таким образом, алюминий в отожженном состоянии легко обрабатывается давлением, но плохо подается обработке резанием, главным
образом из-за налипания стружки на кромки режущего инструмента.
Чистый алюминий, ввиду низкой прочности, для изготовления конструкций используют лишь в
отдельных случаях в химической, пищевой и электротехнической промышленности. Технический алюминий
(АД0 и АД1) применяют для изготовления элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность и электрическая проводимость (например, различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных
судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы и проч.). Для нагруженных конструкций
в качестве конструкционных материалов в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и проч.) из более прочных алюминиевых сплавов. По показателям отношения прочности и текучести к
плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый
титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана.
Алюминий и его сплавы обычно подразделяют на две основные
группы – деформируемые и литейные. Теоретической границей, разделяющей эти сплавы, служит предел растворимости элементов в твердом
растворе (рис. 12).
Рис. 12. Классификация алюминиевых сплавов:
1 – деформируемые; 2 – литейные; 3 – деформируемые, не упрочняемые
термообработкой; 4 – деформируемые, упрочняемые термической обработкой
Деформируемые сплавы имеют концентрацию легирующих элементов меньше предела растворимости и при нагреве могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность.
104
Литейные сплавы лежат за пределами растворимости и имеют в
структуре эвтектику. Наличие последней сообщает сплавам хорошие
литейные свойства, но ухудшает их способность к деформированию.
Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов,
обладают ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термообработкой.
В связи с этим деформируемые алюминиевые сплавы
разделяют на
сплавы, не упрочняемые термообработкой, имеющие концентрацию
легирующих элементов ниже предела растворимости при комнатной
температуре, и сплавы, упрочняемые термообработкой, имеющие концентрацию легирующих сверх этого предела.
К деформируемым сплавам не упрочняемых термической обработкой относятся технический алюминий марок АД0, АД1 и др., алюминиево-марганцевый сплав АМц (Al + 1,3 % Mn) и группа
сплавов системы
Al−Mg: АМг1, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 (Al + 1, 2, 3, 5, 6 % Mg +
примеси: 0,2…0,8 % Mn; 0,02…0,1 % Ti; до 0,005 % Ве). Предел прочности, например, сплава АМг6 в нагартованном состоянии составляет
350…400 МПа, в отожженном – 320…350 МПА, относительное удлинение δ = 15…20 %.
Эти сплавы отличаются высокой пластичностью, коррозионной
стойкостью и хорошей свариваемостью. В сварных соединениях они
способны сохранять до 95 % прочности основного металла при
высокой
пластичности и коррозионной стойкости. Поэтому большинство сварных конструкций изготовляют из данных сплавов (корпуса судов, рамы
транспортных средств, трубопроводы для масла и бензина, радиаторы
для тракторов и автомобилей и др.)
К упрочняемым сплавам относят, прежде всего, сплавы алюминия
с медью и магнием системы Al−Cu−Mg, называемые дуралюминами: Д1,
Д16,
Д18, Д19 и др. (Al + 3,8…4,8 % Cu; 1,2…1,8 % Mg; 0,3…0,9 % Mn),
и высокопрочные сплавы В95, В96 системы Al−Zn−Mg−Cu. Данные
сплавы после термической обработки (закалки и последующего старения) приобретают высокие механические свойства (σ
= 400…600 МПА
в
при δ = 8…18 %). Они вполне удовлетворительно свариваются контактной, особенно точечной сваркой. Однако дуралюмины и высокопрочные сплавы, как правило, плохо свариваются дуговой сваркой. В этом
случае под воздействием термического цикла сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется. Причем прочность сварного соединения в этой зоне может составить менее 40 %
прочности основного металла. Ее можно повысить, если возможно осуществить после сварки
двойную термообработку (закалку и искусственное старение). Эффект
одного естественного старения недостаточен для полного восстановле-
105
ния исходных свойств металла в этой зоне. Применяют эти сплавы в основном для высоконагруженных конструкций (детали обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов, каркасы строительных сооружений и др.).
В промышленности используют также и другие деформируемые
термоупрочненные алюминиевые сплавы (например, жаропрочные
сплавы типа АК4-1 системы Al−Cu−Mg−Fe−Ni или сплавы
повышенной
пластичности и коррозионной стойкости типа АД31, АД33 системы
Al−Mg−Si). Первые по химическому составу близки к дуралюминам, но
вместо марганца в качестве легирующих элементов содержат железо и
никель. Их используют для изготовления деталей реактивных двигателей, работающих при температурах 250…350 °С. Вторые применяют в
авиастроении для отделки кабин самолетов и
вертолетов, а также в судостроении и строительстве. Указанные типы сплавов удовлетворительно свариваются точечной и шовной сваркой.
Из сплавов второй группы – литейных – наибольшее распространение имеют литейные сплавы алюминия с кремнием – силумины типа
АЛ2, АЛ4 и др. Обладают высокими литейными и механическими свойствами, коррозионной стойкостью во многих средах,
хорошей свариваемостью. Однако редко применяются в сварных конструкциях. Сварку
используют преимущественно как средство устранения дефектов литья.
7.2. Сварочные свойства алюминия и его сплавов
Основными факторами, затрудняющими осуществление процесса
сварки алюминия и его сплавов и получение качественных сварных соединений, являются:
1) специфические теплофизические свойства;
2) высокая степень сродства к кислороду и
оксида Al
в виде пленки, покрывающей поверхность металла;
2O3
образование прочного
3) значительное превышение температуры плавления оксидной
пленки (2050 °С) над температурой плавления алюминия (658 °С);
4) склонность к порообразованию в связи с высокой способностью
алюминия растворять водород;
5) склонность многих сплавов к образованию горячих и холодных
трещин;
6) большая жидкотекучесть расплавленного металла и резкий пере-
ход из твердого
состояния в жидкое при нагреве;
7) склонность к разупрочнению.
Специфические теплофизические свойства. Для сварки большое
значение имеют специфические тепловые свойства алюминия. При
106
сравнительно низкой температуре плавления алюминий имеет очень
высокие значения теплопроводности, теплоемкости и скрытой теплоты
плавления. По величине скрытой теплоты плавления алюминий в два
раза превосходит медь, в 3…4 раза – аустенитную нержавеющую сталь
и уступает только бериллию. Поэтому, несмотря на низкую температуру
плавления алюминия, для его сварки требуется сила сварочного тока
примерно в
1,2…1,5 раза больше, чем для сварки в равных условиях нержавеющих сталей (для толщин свыше 5 мм). Алюминий обладает также повышенным коэффициентом линейного расширения (почти в два
раза больше, чем у железа), увеличивающимся с повышением чистоты
металла и температуры нагрева. Объемная усадка расплавленного алюминия при затвердевании составляет ~ 6,6 %, что значительно больше,
чем у многих металлов и сплавов. Эти свойства алюминия приводят к
большим внутренним напряжениям (или деформациям) при местном
нагреве. Кроме того, большая усадка отрицательно влияет на формирование шва. В конце шва после обрыва дуги, как правило, образуется
глубокий кратер, возможно также появление трещин.
Образование оксидной пленки. Алюминий обладает большим
сродством
циальном давлении кислорода порядка 10
зультате оксид алюминия Al
к кислороду. Окисление его может протекать даже при пар-
−40
Па. Образующийся в ре-
покрывает поверхность металла про-
2O3
зрачной прочной и плотной пленкой, защищающей металл от коррозии
в воздушной среде, морской воде и в ряде окислительных сред слабой
агрессивности. Предельная толщина пленки 5…10 нм, образующейся на
поверхности алюминия в атмосфере воздуха при комнатной температуре, устанавливается через 7…14 дней. Оксидная пленка надежно защищает металл от
активного окисления до температур 680…720 °С. Дальнейшее повышение температуры сопровождается ухудшением защитных свойств оксидной пленки и значительным ростом ее толщины.
Важной характеристикой оксидной пленки является ее способность
адсорбировать газы, в особенности водяной пар, который удерживается
оксидной пленкой вплоть до температуры плавления металла. Отличаясь значительной механической прочностью, оксидная пленка, несмотря
на большую плотность, чем у алюминия, легко удерживается на поверхности жидкого металла силами поверхностного натяжения. Коэффициент температурного расширения оксидной пленки почти в 3 раза
меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в оксидной пленке образуются трещины.
Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия и его сплавов
затрудняет процесс
сварки. Обладая высокой температурой плавления,
оксидная пленка, не расплавляясь в процессе сварки, покрывает металл
107
прочной оболочкой, препятствуя образованию общей ванны. Поэтому,
чтобы соединить сваркой детали алюминия и его сплавов, необходимо
разрушить и удалить оксидную пленку, а также защитить металл от повторного окисления. Так как температура плавления оксидной пленки
почти равна температуре кипения металла, то простым тепловым воздействием разрушить пленку практически невозможно. Трудность за
-
ключается еще в том, что алюминий и его сплавы в расплавленном состоянии обладают повышенной окисляемостью и с увеличением температуры нагрева резко возрастает скорость образования оксидной пленки. При сварке плавящимся электродом оксидная пленка покрывает не
только поверхность сварочной ванны, но и поверхность капель расплавленного электродного металла, что
препятствует их сплавлению с ос-
новным металлом.
Большая плотность оксидной пленки затрудняет ее удаление из
жидкого металла (утонувшие частицы не могут всплыть на поверхность). Так как алюминий не растворяет свои оксиды, то частицы, утонувшие в расплавленном металле ванны, приводят к формированию
хрупких включений, нарушающих однородность металла и снижающих
механическую
прочность металла шва. В дальнейшем они являются
очагами коррозии.
Очистка поверхности от оксидов. Удаление с поверхности металла образовавшихся оксидов и защита металла от дальнейшего окисления – одна из важнейших задач при сварке алюминия и его сплавов.
В большинстве случаев механически зачистить и химически протравить поверхность металла перед сваркой
недостаточно, так как в
процессе нагрева вновь образуется оксидная пленка. Поэтому в обязательном порядке в процессе сварки также используют способы разрушения оксидной пленки.
Известны два основных способа разрушения оксидной пленки в
процессе сварки. Первый, более старый способ – разрушение пленки
при помощи флюсов. Флюсы и покрытия электродов для сварки
алюминия и его сплавов построены однотипно. Основу флюсов, как правило, составляют легкоплавкие смеси хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов (NaCl, KCl, BCl
единений, например, криолита (Na
AlF6), к которым добавляют неболь-
3
, LiCl) и их природных со-
2
шое количество фтористых соединений (KF, NaF), активизирующих
действия флюсов.
Механизм действия флюсов заключается в следующем. В процессе
нагрева металла благодаря различным коэффициентам теплового расширения металла и пленки в последней образуются мельчайшие трещины, куда затекает расплавленный флюс, содержащий хлориды. В ре-
108
зультате взаимодействия алюминия с флюсом образуется соединение
AlCl
. Хлорид алюминия испаряется при температуре 183 °С и при
3
сварке обладает высокой упругостью пара. Образующиеся в месте контакта с жидким металлом пары хлористого алюминия отрывают от его
поверхности частицы пленки, которые уносятся движущимся флюсом и
частично в нем растворяются.
Действие фторидов, содержащихся во флюсах, на повышение активности флюсов объясняется
тем, что фториды, растворяя оксид алюминия преимущественно по границам образующихся в пленке трещин,
обеспечивают доступ флюсов к жидкому металлу под пленкой, активизируя процесс ее разрушения парами хлористого алюминия.
Второй способ разрушения оксидной пленки – электрический. Этот
процесс наблюдается при аргонодуговой сварке плавящимся электродом на токе обратной полярности или при
сварке вольфрамовым электродом на переменном токе, когда катодом является изделие. В этих
условиях разрушение оксидной пленки происходит за счет катодного
распыления, обусловленного бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами. Вследствие относительно больших
размеров ионы при соударении отдают свою энергию поверхностным
атомам, в результате создаются благоприятные условия для их испарения. При этом в первую очередь испаряются атомы поверхностных оксидных пленок. Однако таким способом можно удалить только относительно тонкую пленку, поэтому ему предшествует предварительная качественная механическая или химическая обработка свариваемых деталей и присадочной проволоки. Для предупреждения дополнительного
окисления сварочной ванны и засорения ее оксидами в процессе сварки
применяют аргон высокой чистоты.
Порообразование. Основной причиной появления пор в металле
алюминиевых швов является водород, который в отличие от других газов обладает способностью растворяться в алюминии и при некоторых
условиях образовывать поры в металле швов.
В реальных условиях сварки парциальное давление водорода в га-
зовой фазе дуги ничтожно мало.
Источником водорода, растворяющегося в алюминии, является реакция непосредственного взаимодействия
влаги с металлом:
2Al + 3Н
О = Al2O3 + 6Н.
2
В результате этой реакции давление атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, возрастает,
что приводит к значительному повышению концентрации водорода,
растворенного в алюминии.
109
Основным источником водорода, растворяющегося в металле сварочной ванны при аргонодуговой сварке, является влага, адсорбированная поверхностью металла до сварки. Ее количество определяется состоянием этой поверхности и зависит от предшествующей ее обработки
перед сваркой.
По мере остывания сварочной ванны из-за резкого падения растворимости атомарный водород стремится выделиться, но
, встречаясь с
другими атомами водорода, с центрами кристаллизации и загрязнениями в металле, рекомбинирует в молекулы и образует газовые пузырьки.
После кристаллизации металла не успевшие всплыть газовые пузырьки
остаются в нем в виде неплотностей, как правило, сферической формы –
газовой пористости.
Для предотвращения пористости удаляют оксидную пленку, влагу
и жировые загрязнения
с поверхности свариваемых материалов и проволоки, осушают инертные газы, иногда при сварке используют подогрев и механическое воздействие на жидкий металл (ультразвуковые
колебания, магнитное перемешивание).
Кристаллизационные трещины. При сварке алюминия и его
сплавов наблюдается сочетание двух весьма неблагоприятных факторов, снижающих стойкость наплавленного металла против образования
кристаллизационных трещин. Это грубая
столбчатая структура наплавленного металла с дендритным и транскристаллитным строением, а
также ликвация примесей, образование различных эвтектик и развитие
значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной
усадки алюминия.
Модифицирование (за счет титана, циркония, бора) металла шва в
процессе сварки, магнитное перемешивание металла в ванне обеспечивают измельчение кристаллической структуры металла
швов.
Правильный выбор режимов сварки и, главное, состава присадочного материала позволяет избавиться от трещин в швах или значительно
снизить вероятность их возникновения.
Изменение структуры и свойств металла зоны термического
влияния. При сварке технического алюминия и сплавов, не упрочняе-
мых термообработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост
зерна и незначительное разупрочнение
, вызванное снятием нагартовки
(если сплав сваривали в нагартованном состоянии).
Значительно более сложные процессы протекают в зоне термического влияния сплавов, упрочняемых термообработкой. Так, при сварке
сплавов типа дуралюминов (Д1 и Д16) в зоне термического влияния
присутствуют участки металла с различной степенью распада твердого
раствора и коагуляции упрочнителей CuAl
и Al2CuMg. В непосред-
2
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]