Автоматическая аргонодуговая сварка

5 Независимо от способа сварки и исходного состояния металла в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зерен.

 

1. Качественное формирование шва – формирование общей сварочной ванны.

Проблема связана с наличием на поверхности тугоплавкой и плотной оксидной пленки.

     При сварке необходимо предусмотреть меры по разрушению, удалению оксидной пленки и защиты металла от повторного окисления.

  Способы разрушения и удаления оксидной пленки до сварки:

     Поверхность металла на ширине 100-150 мм от кромки должна быть очищена от консервирующей смазки и обезжирена растворителем (ацетон, авиационный бензин).

Пленку оксида удаляют по всей длине шва на ширине не менее 30 мм механической зачисткой или химическим способом.

Механическая зачистка – шабером или металлической щеткой из проволоки диаметром не более 0,5 мм (предпочтительна проволока из нержавеющей стали).

Химический способ удаления пленки оксида:

- травление в течение 1-2 мин в 5%-ном растворе натрия едкого технического (NaOH 60-70°C);

- промывка в проточной горячей воде (60-80°С) – затем в холодной;

- осветление в 30% -ном водном растворе азотной кислоты (HNO₃ 20°C 1-2мин);

- промывка в холодной воде, затем в горячей – 60-70°С;

- сушка горячим воздухом – 80-90°С.

Продолжительность хранения деталей перед сваркой после зачистки не более 2-3ч.

Справка: Предельная толщина пленки при выдержке алюминия в атмосфере воздуха при темпе­ратуре 20°С устанавливается через 7-14 дней.

 

 

Способы разрушения и удаления оксидной пленки в процессе сварки:

Катодное распыление – данный способ разрушения оксидной пленки реализуется при дуговой сварке в защитном газе (аргоне, гелии) на обратной полярности (плюс на электроде). В этом случае происходит бомбардировка поверхности катода (свариваемой заготовки) положительно заряженными ионами. Благодаря относительно большим размерам положительно заряженных ионов при соударении оксидная пленка разрушается.

Химическое разрушение оксидной пленки - разрушение и удаление оксидной пленки путем взаимодействия с компонентами покрытия электродов и сварочных флюсов.

Для сварки применяют покрытие электрода и сварочный флюс состоящий из смеси хлористых солей щелочных (Na, K, Li) и щелочноземельных элементов (Ca, Mq) с небольшим количеством фтористых соединений.

Состав флюса: 50% КCl, 28% NaCl, 14% LiCl, 8%NaF.

Механизм действия флюса: в процессе нагрева из-за различных коэффициентов теплового расширения (коэффициент линейного расширения a_Al2О3 @ 1/3 a_Al) металла и оксидной пленки образуются в последней мельчайшие трещины. В трещины затекает флюс, содержащий хлориды. В результате взаимодействия алюминия с хлоридами флюса образуется газообразный хлорид алюминия – AlCl₃. Образовавшийся хлорид алюминия отрывает частицы оксидной пленки от поверхности металла, которые уносятся движущимся флюсом и частично в нем растворяются. Фториды, растворяя оксид алюминия, увеличивают ширину трещин и облегчают доступ флюса к жидкому металлу.

2. Образование газовой пористости – заполненная газом полость округлой формы

Газовые (водородные) поры в сварном шве.

    Причина газовой пористости сварных швов алюминиевых сплавов заключается в чрезмерном содержании водорода в сварочной ванне и изменение его растворимости при снижении температуры. Растворимость при ~660°С уменьшается скачкообразно с 0.69 до 0,036 в 20 раз.

Основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, является влага, содержащейся в оксидной пленке:

                                       2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 6H.

3. Образование в металле шва и околошовной зоне горячих трещин.

Горячая трещина в металле шва алюминия

Причины:

- формирование грубой крупнокристаллической структуры металла шва – снижение его пластичности;

 - интенсивное развитие химической неоднородности - образование по границам зерен металла шва легкоплавких эвтектик; Al +Mq +Mq₂ Si (Тпл.= 450°С), Al + CuAl₂ (Тпл.= 548°С)

- наличие примесей, образующих легкоплавкую эвтектику (наиболее опасным элементом, влияющим на образование ГТ является медь - дюралюмины типа Д19 и высокопрочные сплавы В95 для изготовления сварных конструкций применять не рекомендуется). 

Методы борьбы с горячими трещинами:

- выбор свариваемого металла и металла сварочной проволоки оптимального химического состава (например, материал корпуса ракеты Протон – АМг6);

- увеличение жесткостью изделия;

-  выбор оптимальных режимом сварки: увеличенные значения сварочного тока (в 1,2-1,5 раз по сравнению со сталью), применения предварительного подогрева;

- применение технологических мероприятий, улучшающих структуру металла шва, а, следовательно, и повышающих его пластичность:

–  модифицирование (введение в металл шва Ta, Zr, Sc, Ti, B);

– магнитное перемешивание в процессе сварки;

–  дуговая сварка в защитных газах (плавящимся и неплавящимся электродом) импульсной дугой.

4. Снижение механических свойств (прочности и пластичности) металла шва.

Причина - наличия в металле шва неметаллических включений - оксидной пленки.

 

 

Оксидное включение – твердое включение оксида металла (линейное, единичное)

5. Снижение коррозионной стойкости металла шва и околошовной зоны.

Причина - наличие вредных примесей (Cu, Fe и др), пор, снижение плотности оксидной пленки, увеличение плотности дислокаций.

6. Снижение прочности металла ОШЗ на 10-30%.

Причина – рост зерна, распад твердого раствора и коагуляция упрочняющей фазы.

7. Образование пористости и вспучивания в ОШЗ (сплавы АМГ).

   Способность этих сплавов образовывать пористость в зонах термического воздействия связывается с наличием в слитках молекулярного водорода. После обработки таких слитков (прокаткой или прессованием) в металле образуются несплошности в виде каналов или коллекторов, в которых водород находится под большим давлением (перед сваркой надо проверять).

8. Выгорание элементов – магния, марганца и цинка.

9. Коробление сварной конструкции – изменение формы и размеров изделия.

 

Способы сварки, применяемые для изготовления сварных конструкций из Al сплавов

Дуговая сварка в среде защитных газов – аргонодуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом.

Сварочная проволока по химическому составу близка к химическому составу свариваемого материала. Для снижения вероятности образования горячих трещин проволока дополнительно легируется скандием и цирконием.

Проволока Св-АМq6(Sc) из сплава системы Al-Mq-Sc-Zr – для сварки сложнолегированных высокопрочных алюминиевых сплавов, не содержащих значительного количества меди (исключает образование ГТ и повышает предел прочности сварных соединений на 15-20%).

Проволока Св-1201 (Sc) из сплава системы Al-Cu-Sc-Zr – для сварки алюминиевых сплавов, содержащих большое количество меди и других компонентов (обеспечивает увеличение сопротивляемости металла шва образованию ГТ, повышает предел прочности на 10-15 %). Проволоки диаметром 1,2-3,0 мм.

 

Внешний вид сварных швов