Сварка цветных металлов и сплавов на их основе

Производство цветных металлов, и в особенности алюминия, неуклонно возрастает, опережая рост выпуска стали. С каждым годом увеличивается число металлов и сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов для производства сварных изделий. Наряду с конструкциями из алюминия, меди, никеля, титана в сварном исполнении в настоящее время изготавливают изделия из циркония, серебра, платины, бериллия и других металлов.

По своим физико-химическим свойствам многие цветные металлы рез­ко отличаются от стали, что необходимо учитывать при выборе способа и технологии сварки:

1. Цветные металлы, как правило, имеют большое сродство к кислороду, а также хорошо растворяют другие газы при нагреве, что предъяв­ляет более жесткие требования по защите расплавленного металла в процессе сварки.

2. Цветные металлы образуют систему окислов, более тугоплавких
чем сам металл, что приводит к засорению металла шва этими окислами.
Или окислов, имеющих более низкую температуру плавления, чем металл, что приводит к образованию горячих трещин.

3. Большая теплопроводность некоторых цветных металлов и их удельная теплоемкость, способствующие быстрому охлаждению места сварки, требует более мощных источников нагрева.

4. Дня некоторых сплавов цветных металлов большая разница между
температурами плавления и кипения отдельных компонентов способствует
испарению легкоплавких компонентов.

5. Резкое снижение механических свойств металла при сварочном
нагреве, вызывающее разрушение металла от незначительных нагрузок.

Технология сварки алюминия и его сплавов

1. Свариваемость алюминия и его сплавов

Алюминий характеризуется малой плотностью (2,7 г/см³), повышенной хладостойкостью, коррозионной стойкостью в окислительных средах и на воздухе. Чистый алюминий обладает малой прочностью (σ_вр≤ кгс/мм²) поэтому из него изготавливают изделия, для которых требуется только высокая коррозионная стойкость.

Алюминий и его сплавы обладают низкой температурой плавления (660°С), высокой тепло и электропроводностью, повышенным в сравнении со сталью коэффициентом линейного расширения и более низким значением модуля упругости.

Алюминий и его сплавы делят на две основные группы: деформируемые, применяемые в прессованном, катанном и кованом состояниях, и литейные (недеформируемые), используемые в виде литья.

Деформируемые сплавы, в свою очередь делят на термически не упрочняемые, к которая относятся технический алюминий и его сплавы с марганцем и магнием (сплавы АМц и АМг) и термически упрочняемые к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком, кремнием и другими элементами (Al-Mg-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Si-Mg).

К литейным (марки АЛ) относятся сплавы со значительным содержанием кремния или меди.

Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожженном состоянии и поэтому воздействие термического цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в ЗТВ.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпадения интерметаллидов под действием термического цикла сварки металл в ЗТВ разупрочняется (на 30-40%). Поэтому для восстановления исходных свойств металла в разупрочненном металле ЗТВ требуется двойная термообработка - закалка и искусственное старение.

Трудности сварки алюминия и его сплавов

1. Наличие и возможность образования тугоплавкого окисла Al₂O₃ (Т_пл=2050°С) с плотностью большей, чем у алюминия затрудняет сплавление кромок соединения испособствует загрязнению металла шва частичками этой пленки.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может при­вести к разрушению (проваливанию) твердого металла не расплавившейся
части кромок под действием веса расплавленного металла.

3. Высокая жидкотекучесть алюминия требует особой тщательности
подготовки кромок, либо применения подформовывающих устройств для
предотвращения вытекания через корень шва металла.

4. Из-за большой величины коэффициента линейного расширения и
низкого модуля упругости алюминиевые сплавы имеют повышенную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью грузов, а также пневматических и гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов.

5. Большая склонность к порообразованию за счет водорода. Выделе­нию водорода препятствует в процессе кристаллизации окисная пленка,
покрывающая сварочную ванну, а также низкий коэффициент диффузии
водорода в алюминии.

Поры образуются преимущественно внутри металла шва, а также у линии сплавления. Наибольшей склонностью ж порообразованию имеют сплавы АМг.

Для предупреждения пор при сварке толстого металла применяют предварительный и сопутствующий подогрев.

6. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты, а также предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150°С.

7. Металл шва склонен к образованию трещин в связи с грубой
столбчатой структурой металла шва и выделением по границам зерен
легкоплавких эвтектик, развитием значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия. Легкоплавкая эвтек­тика на основе кремния (Т_пл=577°С) приводит к появлению трещин, если содержание кремния невелико (до 0,5%); при содержании кремния свыше 4-5% образующаяся эвтектика "залечивает" трещины. При обычном содержании кремния (до 0,5%) для предупреждения трещин в металле шва вводят железо для связывания кремния в тугоплавкое тройное соеди­нение.

8. При сварке сплавов типа Al-Zn-Mg возможно образование холодных трещин за счет сварочных напряжений и выпадением интерметаллидов.

Для предотвращения вредного влияния окисной пленки Al₂O₃ на свариваемость алюминиевых сплавов, ее необходимо удалять. Удаляют ее с помощью флюсов, которые обеспечивают ее растворение или разрушение с переводом в летучее соединение. Остатки флюса для предупреждения коррозионного разрушения металла необходимо удалять. Большое распространение получил способ удаления окисной пленки путем катодного распыления при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом.

2. Способы сварки алюминия и его сплавов

а) Сварка ручная угольными или графитовыми электродами.

б) Сварка ручная покрытыми электродами.

в) Автоматическая сварка по флюсу.

г) Электрошлаковая сварка.

д) Сварка в инертных газах.

е) Плазменно-дуговая сварка.

ж) Электронно-лучевая сварка.

Наибольшее применение имеет сварка в среде инертных газов неплавящимся и плавящимся электродом. Рассмотрим каждый способ в от­дельности. Сварка ручная угольными или графитовыми электродами сохра­нилась только для неответственных конструкций. Сварку производят постоянным током обратной полярности. Удаление окисной пленки дости­гается применением флюса типа АФ-4А (50% KCl, 14% LiCl, 8% NaF, 28% NaCl). Сварку металла толщиной до 2 мм ведут без присадочной проволоки и без разделки кромок. Стыковые соединения металла толщиной более 2 ммсваривают с обязательным зазором величиной 0,5-0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок.

Недостатки сварки угольным и графитовым электродом: тяжелые условия труда сварщика, вследствие мощного изучения ярко горящей дуги, близко расположенной к рабочему, значительная деформация изделия и др.

Сварка ручная покрытыми электродами

РДС покрытыми электродами применяется для сварки изделий из технически чистого алюминия, алюминиево-марганцевого сплава и алюминиево-магниевого сплава. Сварка металла толщиной до 10 мм обычно без подогрева, более 10мм с предварительным подогревом. Температуру подогрева выбирают в зависимости от толщины металла в интервале 100-400°С. Сварку производят постоянным током обратной полярности, без колебания юнца электрода. Электроды применяют диаметром 5-8мм. Сила тока ~60d_э. Металл толщиной до 20 мм сваривают без разделки кромок с малым зазором (0,5-1мм). Сварка обычно двусторонняя.

При сварке чистого алюминия и сплавов АМц обычно используют стержни из металла, близкого по составу основному металлу. Для сварки сплавов АМг необходимо в проволоке иметь большое содержание магния вследствие его частичного улетучивания.

Основу электродных покрытий для сварки алюминия и сплавов АМц составляют галоидные соли щелочных и щелочноземельных металлов и криолит (Na₃AlF₆).Наибольшее распространение получили два типа покрытия. Покрытие первого типа состоит из 65% флюса АФ-4А(50% KCl, 14% LiCl, 8% NaF, 28% NaCl) и 35% криолита. Bторой тип АН-А1 состоит из 50% KCl, 30% NaCl и 20% Na₃AlF₆. Покрытие замешивают на воде или растворе поваренной соли.

Электроды для сварки алюминиево-магниевых сплавов широкого распространения не получили.

Автоматическая сварка по флюсу

Сварку по флюсу алюминия и алюминиевых сплавов ведут с применением фторидно-хлоридных флюсов марок АН-А1 и АН-А4. Флюс марок АН-А1 используют для сварки технического алюминия, флюс марки АН-А4(50% KCl, 20% LiCl, 30% Na₃AlF₆) не содержащий NaCl -алюминиево-магниевых сплавов. Проволоки обычно посоставу близки к основному металлу.

Сварка ведется по слою флюса (или так называемой полуоткрытой дугой). Выделяющиеся пары и газы изолируют дуговой промежуток от проникновения воздуха. Необходимость такой технологии обусловлена тем, что флюсы для сварки алюминия обладают высокой электропроводностью. В расплавленном состоянии они легко шунтируют дугу, что нарушает устойчивость горения. При тонком слое флюса это явление исключается. При сварке алюминия под флюсом путем применения очень короткой дуги или менее электропроводных шлаков не удается обеспечить высокого качества формирования и физико-химических свойств металла шва. Автоматическую сварку по флюсу применяют для толщин 10-35 мм. Сварку ведут одной или двумя проволоками, чаще сдвоенным электродом. Односторонние швы сваривают на временной стальной подкладке с целью предотвращения вытекания металла. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности без предварительного подогрева.

Из-за малой жесткости проволоки и возможного отклонения конца электрода от оси шва возможен непровар корня шва. Поэтому лучше ва­рить сдвоенным электродом, увеличивающим размер сварочной ванны и как следствие - лучшая дегазация металла. Автоматы типа ТС-17MA, приспособления для сварки алюминия имеют дозаторы флюса и водоохлаждаемые мундштуки.

Примеры режимов сварки алюминия по слою флюса(сварка однопроходная, одиночным электродом)

Толщина, мм	dэ, мм	j,А/мм^2	Uдуги, В	Vсв, м/час
	1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5-4,0	130-150 100-120 100-110 75-90 70-75 30-40	27-30 29-32 35-37 38-40 39-41 40-42	24-26 20-22 18-19 16-17 14-15 12-23

Электрошлаковая сварка

ЭШС применяется для сварки толщиной 50-250 мм. Скорость сварки независимо от толщины 6-8 м/час. Для ЭШС применяют флюсы АН-301, АН-302 и АН-304 обеспечивающие качественную сварку без тщательной подготовки кромок под сварку. Сварка переменным током с применением пластинчатых или комбинированных электродов. Пластинчатым электродом сваривают шинопроводы и другие изделия толщиной 50-150мм при длине швов до 600 мм. Сварку плавящимся мундштуком применяют для соедине­ния металла толщиной до 250 мм большой протяженности. В качестве источников питания используют трансформаторы ТШС-3000-1 и ТШС-10000-l.

Сварка в инертных газах

Наиболее важное значение имеет в настоящее время сварка в среде инертных газов (ручная и механизированная).

В среде инертных газов сварку выполняют плавящимся и неплавящимся электродом. Вольфрамовые электроды лантанированные и итрированные. Газы - аргон и гелий, и их смеси. Присадочный материал - близкий по составу к свариваемому материалу. Толщина вольфрамовых электродов 2-6 мм. Диаметр присадочных прутков 2-5мм.

Ручная дуговая сварка вольфрамовым электродом ведется на переменном токе на установках УДГ-300 и УДГ-500. Металл толщиной до 6мм сваривают без скоса кромок, при больших толщинах - скос кромок (V-образная или X- образная разделка).

Существенное повышение производительности труда получается при использовании трехфазной дуги (в 3-5 раз). В специальной горелке с увеличенными размерами сопла расположены два вольфрамовых электрода. Электроды и изделие подключаются к трехфазному трансформатору (либо используют 2 однофазных).

Сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной по­лярности проволокой диаметром 1,5-2,5 мм. При сварке толстого ме­талла применяется V и Хобразная разделка.

При сварке плавящимся электродом в связи с капельным переносом
металла через дуговой промежуток трудно обеспечить надежную защиту
сварочного пространства от попадания воздуха.

Дата добавления: 2014-10-22