Холодная сварка чугуна электродами, обеспечивающими получение в металле шва цветных и специальных сплавов

Для получения швов, обладающих достаточно высокой пластичностью в холодном состоянии, применяют электроды, обеспечивающие получение в наплавленном металле сплавов на основе меди и никеля. Медь и никель не образуют соединений с углеродом, но их наличие в сплаве уменьшает растворимость углерода в железе и способствует графитизации. Поэтому, попадая в зону неполного расплавления, прилегающую к шву они уменьшают вероятность отбеливания. Кроме того, пластичность металла шва способствует частичной релаксации сварочных напряжении и поэтому снижается вероятность образования трещин в зоне термического влияния. Для сварки чугуна используют медножелезные, медно-никелевые и железоникелевые электроды.

Существует несколько типов медно-железных электродов.

1. Медный стержень с оплеткой из жести толщиной 0,25— 0,3 мм, которую в виде ленты шириной 5—7 мм навивают на стержень по винтовой линии. На электрод наносят ионизирующее или толстое покрытие. Электрод со стержнем, изготовленным из комбинированной проволоки, представляющий собой сердечник из стальной проволоки, плотно запресованный в медную трубку, изготовляют на станках для производство порошковой проволоки.

Может быть также и другой вариант: медный сердечник со стальной оболочкой. Во всех разновидностях содержание железа в наплавленном металле не должно превышать 10—15%, так как в противном случае в шве- образуются (в большом количество) очень твердые включения железа с высоким содержанием углерода, ухудшающие обрабатываемость и снижающие пластичность шва.

2. Пучок электродов, состоящий из одного пли двух медных стержней и стального электрода с защитным покрытием любой марки. Пучок связывают в четырех-пяти местах медной проволокой и на конце, вставляемом в электрододержатель, прихватывают для надежного контакта между всеми стержнями.

3. Наиболее совершенные из числа медно-железных электродов — электроды марки ОЗЧ- 1, представляющие собой медный стержень диаметром 4—5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее нз сухой смеси покрытия УОНИ-13 (50%) и железного порошка (50%), замешенных на жидком стекле.

Медно-железный сплав в шве получается также при сварке медными электродами по слою специального флюса, который состоит из прокаленной буры (50%), каустической соды (20%),железной окалины (15%) и железного порошка (15%). Флюс насыпают слоем толщиной около 10 мм, расплавляют дугой; далее по мере перемешивания дуга горит между медным электродом и расплавленным флюсом.

Сварку медно-железными электродами всех типов следует выполнять таким образом, чтобы не допускать сильного разогрева свариваемых деталей: на минимально возможных токах, обеспечивающих стабильное горение дуги, короткими участками вразброс, с перерывами для охлаждения свариваемых деталей.

Основное преимущество этих электродов — возможность проковки наплавленного металла в горячем состоянии для уменьшения уровня сварочных напряжений. Проковка обязательна, так как при этом уменьшается опасность образования трещин в околошовной зоне.

Общий недостаток медно-железных электродов — неоднородная структура типа: мягкая медная основа и очень твердые включения железкой составляющей, затрудняющие обработку и препятствующие получению высокой чистоты обработанной поверхности. Несколько лучшей обрабатываемостью обладают швы, выполненные электродами марки АНЧ-1, стержень которых состоит па аустенитной стали марки Св-04Х18Н9 и медной оболочки. На электрод наносят покрытие фтористокальциевого типа.

Наиболее рационально применять медно-железные электроды для заварки отдельных несквозных пороков или небольших неплотностей.

Медно- никелевые электроды в производстве применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твердости недопустимо. Положительные свойства таких электродов в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Отбеливание зоны частичного расплавления при небольших ее размеpax практически отсутствует, так как медь и никель — элементы графитизатолры, проникая в этот участок, оказывают положительное действие: в то же время шекель и железо обладают неограниченной растворимостью, способствуя надежному сплавлению.

Для изготовления электродов используют медно-никелевые сплавы: монель-металл, содержащий 65—75% Ni, 27—30% Си, 2—3% Fe и 1,2—1,8% Мn (например, НМЖМц 28-2,5-1,5); константан, содержащий ~ 60% Ni и 40% Си (МНМц 40-1,5);

нихром (X 20Н80).

Недостатки этих сплавов — их высокая стоимость и дефицитность, а также- большая усадка, приводящая к образованию горячих трещин. Горячие трещины иногда имеют вид сплошной сетки, что снижает прочность сварного соединения. В связи с этим 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.

Находят применение в промышленности электроды марок МПЧ-1 со стержнем из монель металла и МПЧ-2 со стержнем из константана. Обе марки имеют электродные покрытии вида Ф. Сварку выполняет электродами диаметром 3—4 мм, ниточным швом, короткими участками при возвратно поступательном 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, пороков, выявленных на механически обработанных поверхностях изделии и при ремонте оборудования из чугунного литья, используют также железоникелевые электроды с стержнем из сплава, содержащего 40—60% Ni и 60-40% Fе.

При сварке такими электродамп обеспечивается достаточно высокая прочность и некоторая вязкость металла шва. Железоникелевые электроды обладают определенными преимуществами, к числу которых, кроме высокой прочности, можно отнести меньшую, чем у медноникелевых сплавов, литейную усадку, одноцветность наплавки с чугуном.

Сварка чугуна. Широко применяемые марки чугунов содержат 2,5-4% углерода, 1-5% кремния, до 2% марганца, а также примеси фосфора и серы.

Чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Основные трудности при сварке обусловлены высокой склонностью его к отбе­ливанию, т.е. появлению участков с выделениями цемен­тита, а также образованию трещин в шве и околошовной зоне. Кроме того, чугун имеет низкую по сравнению со сталью температуру плавления (1200-1250 °С) и быстро переходит из жидкого состояния в твердое. Это вызывает образование пор в шве, поскольку интенсивное выделение газов из сварочной ванны продолжается и на стадии крис­таллизации.

Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удер­жание расплавленного металла от вытекания и усложняет формирование шва. Вследствие окисления кремния на по­верхности сварочной ванны возможно образование туго­плавких оксидов, что может привести к непроварам.

При выборе способа сварки чугуна необходимо учиты­вать следующие особенности:

- высокая его хрупкость при неравномерном нагреве и охлаждении может вызывать появление трещин в процес­се сварки;

- ускоренное охлаждение приводит к образованию от­беленной прослойки в околошовной зоне и затрудняет его дальнейшую механическую обработку;

- сильное газообразование в жидкой ванне может вы­зывать пористость сварных швов;

- высокая жидкотекучесть чугуна обусловливает не­обходимость в ряде случаев подформовки.

Чугунные детали, работающие длительное время при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результате того, что под действием высоких температур (300-400°С и выше) углерод и кремний окисля­ются, и чугун становится очень хрупким. Чугун, содержа­щий окисленный углерод и кремний, называют горелым.

Плохо свариваются также чугунные детали, работаю­щие длительное время в соприкосновении с маслом и ке­росином. Поверхность чугуна пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы, способствующие появлению сплошной пористости в свар­ном шве.

Способы сварки чугуна. Сварку чугуна применяют при ремонтно-восстановительных работах и для изготовления сварно-литых конструкций. Чугун сваривают преимущественно при устранении дефектов литья в чугунных отливках до и после механической обработки, а также при ремонте деталей.

К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от условий эксплуатации предъявляются различные требования - от декоративной заварки наружных дефектов до получения соединений, равнопрочных с основным металлом.

Чугун можно сваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, порошковой проволокой, газовой сваркой и другими способами.

Наиболее часто способы сварки чугуна классифицируют по состоянию свариваемой детали. В зависимости от температуры предварительного подогрева различают сварку с подогревом (горячую сварку) и без подогрева (холодную сварку).

Горячую дуговую сварку чугуна применяют в случаях, когда металлом шва должен быть чугун, по своим свойствам приближающийся к свойствам основного металла детали.

Холодную дуговую сварку чугуна выполняют на обрабатываемых и обработанных поверхностях деталей, когда дефекты литья незначительны или средних размеров, когда они несквозные или сквозные, но небольшой протяженности и, наконец, когда наплавляемый металл не предусмотрен в виде чугуна. При холодной сварке свариваемые детали не подвергают предварительному нагреву.

Горячая сварка чугуна. Технологический процесс состоит из механической обработки под сварку, формовки свариваемых деталей, предварительного подогрева, сварки и последующего медленного охлаждения.

Подготовка под сварку дефектного места заключается в тщательной его очистке от загрязнений и в разделке свариваемых кромок.

При сварке сквозных трещин или заварке дефектов, находящихся на краю деталей, необходимо применять графитовые формы, предотвращающие вытекание жидкого металла из сварочной ванны. Формы изготавливают из графитовых пластинок, скрепляемых формовочной массой, которая состоит из кварцевого песка, замешанного на жидком стекле.

Детали и чугунные отливки нагревают до температуры 300-700°С (в зависимости от формы детали, дефекта, способа сварки). Сварку выполняют чугунными электродами или порошковой проволокой. Подогрев необходим для того, чтобы после сварки происходило равномерное охлаждение всего изделия и не образовывались трещины.

Детали нагревают в специальных печах или с помощью индукционных нагревателей. Для ручной дуговой сварки используют плавящиеся электроды марок ЦЧ-4, ЭВЧ-1, МНЧ-2, ОЗЧ-2 и др.

Горячую сварку чугуна выполняют на большой силе сварочного тока без перерывов до конца заварки дефекта при большой сварочной ванне. Так, для сварки электродом диаметром 8 мм требуется ток 600 А, а диаметром 12 мм - ток 1000 А. Используют электрододержатели, имеющие защиту руки сварщика от теплового излучения.

Сварка угольным электродом ведется постоянным током прямой полярности: для электродов диаметром 8-20 мм используются соответственно токи 280-600 А.

Во время сварки следует непрерывно поддерживать значительный объем расплавленного металла в сварочной ванне и тщательно перемешивать его концом электрода или присадочного стержня. Для медленного охлаждения заваренные детали засыпают мелким древесным углем или сухим песком. Остывание массивных деталей может длиться 3-5 суток.

Основными недостатками горячей сварки чугуна являются большая трудоемкость процесса и тяжелые условия труда сварщиков.

Холодная сварка чугуна. Сварка чугуна без подогрева изделия применяется шире, чем с подогревом. Подготовка поверхности дефектов к заварке заключается в сверлении, зачистке, фрезеровании и т.д. до получения чистой поверхности основного металла.

При сварке без предварительного нагрева дефекты, расположенные друг от друга на расстоянии более чем 20 мм, вырубают или высверливают порознь, при более близком расположении - производят сплошную вырубку дефектного участка. Разделка кромок зависит от толщины детали. При глубине дефекта 5-7 мм вырубают фаску с углом раскрытия 70-80°. В местах, доступных для сварки с двух сторон, производят Х-образную разделку кромок.

На практике используют несколько разновидностей холодной сварки: стальными, медно-стальными, медно-никелевыми, железо-никелевыми, никелевыми и другими электродами.

Применяя медно-никелевые (марки МНЧ-2) и медно-стальные (марки ОЗЧ-2) электроды, получают наплавленный металл, легко поддающийся механической обработке. Наплавку образуют однослойной или многослойной укладкой валиков.

Стальные электроды марки ЦЧ-4 (на основе проволоки из низкоуглеродистой стали с карбидообразующим покрытием) применяют при ремонте неответственных чугунных изделий небольших размеров с малым объемом наплавки, не требующих после сварки механической обработки.

Сварку стальными электродами с защитно-легирующими покрытиями выполняют с V- или Х-образной разделкой кромок. Для устранения неравномерного разогрева детали сваривают отдельными участками вразбивку. Длина этих участков сварного шва не должна превышать 100-120 мм. После сварки участкам дают возможность остыть до температуры 60-80 °С. Наилучшие результаты получают при сварке электродами с покрытием марки УОНИ-13/45 постоянным током обратной полярности.

Медно-железные электроды применяют дли заварки отдельных дефектов или небольших несплошностей, создающих течи на отливках ответственного назначения, в том числе и работающих под давлением. Наиболее совершенные из них - электроды марки ОЗЧ-2, представляющие собой медный стержень диаметром 4-5 мм, на который нанесено покрытие, состоящее из смеси электродной обмазки марки УОНИ-13/45 (50%) и жидкого стекла. При сварке не следует допускать сильного разогрева свариваемых деталей. После сварки легким молотком выполняют проковку наплавленного металла в горячем состоянии. Она уменьшает сварочные напряжения и снижает опасность образования трещин в околошовной зоне. В результате наплавленный металл приобретает высокую пластичность и удовлетворительно обрабатывается.

Медно-никелевые электроды применяют главным образом для заварки литейных дефектов, обнаруживаемых в процессе механической обработки чугунного литья на рабочих поверхностях, где местное повышение твердости недопустимо. В промышленности используются электроды марки МНЧ-1 со стержнем из монель-металла и марки МНЧ-2 со стержнем из константана. Сварку выполняют электродами диаметром 1-4 мм ниточным швом короткими участками. При этом не следует допускать перегрева детали, для чего рекомендуются перерывы в работе для охлаждения шва. Наплавленные валики в горячем состоянии следует тщательно проковывать ударами легкого молотка. Положительные свойства электродов заключаются в том, что никель и медь не растворяют углерод и не образуют структур, имеющих высокую твердость после нагрева и быстрого охлаждения. Наплавленный металл обладает низкой твердостью, хорошо обрабатывается.

Тема 2.7. Технология сварки алюминия и его сплавов. Характеристика алюминиевых сплавов. Металлургические особенности сварки. Трудности сварки. Выбор способов сварки. Сварочные материалы. Особенности технологии сварки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Состав и свойства

В современной технике объем применения цветных металлов и сплавов на их основе непрерывно растет. В связи с бурным развитием авиастроения, ракетной и атомной техники, химической промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время стали применять такие металлы (и сплавы на их основе), как титан, цирконий, никель, молибден и даже ниобий, гафний и др. В сварных конструкциях значительно расширился ассортимент сплавов на основе алюминии, магния, титана.

Медь и ее сплавы широко используют в химическом машиностроении, для изготовления трубопроводов самого различного назначения, емкостей, различных сосудов в криогенной технике и т. п.

Алюминий и его сплавы применяют для изготовления различных емкостей в химической и пищевой промышленности. Сплавы на основе алюминия широко применяют для самолетов, ракет, судов, в строительстве и т. п. в связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозионной стойкости.

Сплавы титана получают все более широкое применение в качестве конструкционного материала в самолетостроении, для изготовления ракет, емкостей в химическом машиностроении, судостроении и в атомной энергетике.

Цветные металлы и сплавы па их основе имеют ряд общих и специфических особенностей, связанных с их свойствами, которые осложняют и затрудняют процесс сварки плавлением.

1.Большое сродство указанных металлов к кислороду. Так, по убывающей степени сродства к кислороду металлы располагаюся в ряд: Al, Zr, Ti, Mo, W, Ni, Сu и т. д

2. Как правило, эти металлы образуют систему окислов, более тугоплавких, чем сам металл, что приводит к засорению металла шва этими окислами. В некоторых случаях окислы имеют более низкую температуру плавления, и возникает опасность образования легкоплавких эвтектик, приводящих к кристаллизационным трещинам

3. Некоторые металлы (медь, магний, алюминий) обладают сравнительно высокими теплопроводностью и удельной теплоемкостью, что способствует быстрому охлаждению места сварки, требует применения более мощных источников теплоты при сварке, а в ряде случаев предварительного подогрева детали.

4. Для некоторых сплавов цветных металлов велика разница между температурами плавления и кипении отдельных компонентов по сравнению с температурой плавления сплава. Так, например, при температуре плавления цинка 419° С и олова 232 ⁰С латунь и бронза имеют температуру плавления 800—950 ⁰С. Возникает опасность испарения легкоплавких компонентов.

5. Для некоторых металлов (медь, алюминий, магний) и их сплавов наблюдается довольно резкое снижение механических свойств при нагреве, в результате чего в этом интервале температур металл легко разрушается от ударов, либо сварочная ванна даже проваливается под действием собственного веса (алюминий, бронза).

6. Все цветные сплавы при нагреве в значительно больших объемах, чем черные металлы, растворяют газы окружающей атмосферы и химически взаимодействуют со всеми газами, кроме инертных. Особенно активные в этом смысле более тугоплавкие и химически более активные металлы: титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. Эту группу металлов часто выделяют в группу тугоплавких, химически активных металлов.

В результате взаимодействии металлов с кислородом, азотом, водородом свойства их могут очень резко ухудшаться. Все отмеченные особенности цветных металлов должны быть учтены при разработке технологии их сварки. Возможности варьировании способов сварки плавлением для цветных металлов различны и зависят в первую очередь от особенностей физико-химических свойств металла.

Медь, никель, алюминий, магний и сплавы на их основе успешно сваривают дуговой сваркой толстопокрытыми электродами, угольным и металлическим электродом с применением флюса, в среде инертных защитных газов с использованием неплавящегося (вольфрамового) и плавящегося электрода, а алюминий — еще и электрошлаковой сваркой. Для этих металлов выбор способа сварки определяется возможностями завода — наличием соответствующего оборудования, сварочных материалов, а также технической и экономической целесообразностью. Наиболее эффективный способ сварки, находящий самое широкое применение, — аргонодуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом с использованием стандартного оборудования и приспособлений.

Для группы тугоплавких, химически активных металлов пригодные методы сварки резко ограничены необходимостью очень тщательной защиты зоны сварки от вредного действия окружающего воздуха. В этом случае применяют дуговую сварку в инертных газах с дополнительной защитой зоны сварки с помощью развитой системы насадок, укрепляемых на горелке, и защитой обратной стороны шва, либо используют камеры с контролируемой атмосферой. Достаточно эффективна электроннолученая сварка в вакууме.

При использовании дополнительных насадок инертный газ должен защищать не только дугу и расплавленный металл, но и твердый нерасплавляющийся основной металл и закристаллизовавшийся металл шва. Например, титан и цирконий, нагретые до температур выше 400— 500 ⁰С , способны к поглощению больших объемов активных газов из окружающей среды. Для ниобия и тантала опасная зона еще ниже (200—300 ⁰С).

Сварка алюминия и его сплавов. Алюминий. Температура плавления алюминия 658°С. Алюминий и его сплавы обладают высокой прочностью, малой плотностью, хорошими антикоррозионными свойствами и подразделяются на деформируемые и литейные. Технически чистый алюминий выпускают марок АД00, АД0, АД1, АД (содержание примесей до 0,3; 0,5; 0,7 и 1,2% соответственно). Алюминиевые литейные сплавы маркируют, как правило, буквами АЛ и цифрами (номер марки), например: АЛ-2, АЛ-8.

Наиболее широкое применение в сварных конструкциях получили алюминиево-магниевые сплавы АМг, АМг3, АМг5В, АМг6. Алюминиевые сплавы широко применяют в конструкциях, имеющих большие пролеты (мосты, ангары, спортивные сооружения), а также в самолетостроении, судостроении и др.

Дуралюмин - сплав алюминия с медью, магнием, марганцем и некоторыми другими элементами. После закалки и старения дуралюмины приобретают значительную твердость, увеличивается их прочность. При высокой прочности и невысокой плотности дуралюмины являются хорошими конструкционными материалами и широко применяются в технике. Они относятся к деформируемым алюминиевым сплавам. Из них изготавливают прутки, трубы, листы, проволоку методами обработки давлением.

При сварке алюминия и его сплавов возникают следующие затруднения: на поверхности расплавленного металла постоянно образуется тугоплавкая пленка оксида алюминия Al2O3, препятствующая сплавлению между собой частиц металла; высокая температура плавления оксида алюминия (2050 °С) и низкая температура плавления алюминия осложняют управление процессом сварки. Вследствие этого подготовка деталей из алюминия под сварку и их сварка требуют применения специальных технологических приемов. Алюминий и его сплавы соединяют дуговой и аргонодуговой сваркой.

Подготовка металла к сварке. Независимо от способа сварки алюминиевые изделия перед сваркой должны подвергаться специальной обработке, заключающейся в обезжиривании металла и удалении с его поверхности пленки оксида алюминия. Такой же обработке необходимо подвергать присадочную проволоку и электродные стержни перед нанесением на них покрытия.

Поверхность металла на ширине 80-100 мм от кромки обезжиривают растворителями (авиационным бензином, техническим ацетоном), затем механической зачисткой или химическим травлением удаляют оксидную пленку. Обезжиривание и травление рекомендуется выполнять не более чем за 2-4 ч до сварки.

Технология и техника ручной сварки алюминия угольным электродом. Ручную сварку угольным электродом постоянным током на прямой полярности используют только для неответственных изделий. Сварку металла толщиной до 2 мм ведут без присадки и без разделки кромок, металл толщиной свыше 2 мм сваривают с зазором 0,5-0,7 толщины свариваемых листов или с разделкой кромок. Оксидную пленку удаляют с помощью флюсов АФ-4А.

Пластины собирают встык на подкладке, на кромки наносят кисточкой тонкий слой пасты из флюса, а затем соединение сваривают обычно в два прохода: при первом проходе выполняется прогрев кромок, а при втором - сварка.

Первый проход должен быть выполнен медленным перемещением электрода от середины шва к краям. При этом скорость перемещения должна быть такой, чтобы кромки не расплавлялись, но были на грани расплавления, что контролируется появлением отдельных капель жидкого металла, т.е. небольших очагов расплавления. Подогрев таким образом кромки металла, можно перейти к сварке.

Присадочный пруток, находящийся в левой руке, нужно перемещать вслед за угольным электродом на расстоянии 5-10 мм. Плавление прутка достигается погружением его в сварочную ванну.

Технология и техника ручной сварки алюминия покрытыми электродами. Ручную сварку покрытыми электродами применяют в основном при изготовлении малонагруженных конструкций из технического алюминия, сплавов типа АМц и АМг, силумина. Использование постоянного тока обратной полярности и предварительного подогрева (250-400оС, в зависимости от толщины) обеспечивает требуемое проплавление при правильно выбранной силе тока.

В связи с тем что алюминиевый электрод плавится в 2-3 раза быстрее стального, скорость сварки алюминия должна быть соответственно выше. Сварку нужно выполнять непрерывно одним электродом, так как пленка шлака на кратере и конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги. Для обеспечения устойчивого процесса при минимальных потерях на разбрызгивание рекомендуется принимать сварочный ток из расчета не более 60 А на 1 мм диаметра электрода. Перед сваркой электроды просушивают при температуре 150-200 °С в течение 2 ч.

Покрытия электродов для сварки алюминия и его сплавов состоят из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов, которые при сварке удаляют оксидную пленку. Покрытия делятся на две группы - безлитиевые и литиевые. Безлитиевые покрытия просты по составу, менее гигроскопичны. Литиевые покрытия более дорогие и очень гигроскопичны. Их рекомендуется применять для металла малых толщин, в основном для алюминиевых сплавов, так как при сварке технического алюминия они не всегда обеспечивают получение швов без пористости.

Для сварки алюминия и его сплавов используют покрытия электродов следующих марок: ЭА-1, ЭФ-11Ф1 (технический алюминий); ВАМИ, А1 (сплавы типа АМг и АМц); МАТИ-1, МАТИ-2 (литейные сплавы Ал4, Ал5); МВТУ (сплавы типа АМц); АФ-1 (сплавы типа АМг, АМц); А1, А1Ф (сплавы типа АМц, силумин).

Для сварки алюминия используют электроды марок ОЗА-1 и ОЗА-2. Электроды марки ОЗА-1 со стержнем из проволоки Св-А1 применяют при сварке изделий из технического алюминия. Электроды марки ОЗА-2 со стержнем из сплава Св-АК5 предназначены для сварки, наплавки, а также заварки брака литья на литых сплавах типа Ал (Ал2, Ал4, Ал5, Ал9 и Ал11).

Покрытия электродов марок ОЗА-1 и ОЗА-2 выполнены на основе покрытия ЭА-1 с некоторой корректировкой его состава. В покрытие ЭА-1 входят: хлористый натрий (30%), хлористый калий (40%), криолит (30%). Толщина покрытия, например, для электродов диаметром 4 мм составляет 1,0-1,1 мм, а для электродов диаметром 8 мм - 1,4-1,6 мм.

При хранении электроды могут увлажняться, поэтому перед сваркой их необходимо просушивать при температуре 70-100 °С.

Сварка алюминиевыми электродами выполняется постоянным током обратной полярности.

Технология и техника ручной аргонодуговой сварки алюминия неплавящимся вольфрамовым электродом. Ручную аргонодуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом выполняют переменном током в аргоне высшего или первого сорта. Для металла толщиной до 5-6 мм используют электроды диаметром 1,5-5 мм.

Присадочной проволокой и прутками марок АК, АМц и другими сваривают деформируемые сплавы.

Диаметр присадочной проволоки при ручной сварке равен 1-2; 2-4 и 4-6 мм для свариваемых толщин до 2; 2-5 и 5-10 мм соответственно.

Особые требования предъявляются к технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электродом должен составлять примерно 90°. Присадочную проволоку следует подавать короткими возвратно-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Длина дуги обычно не превышает 1,5-2,5 мм. Обеспечение эффективной защиты дуги и сварочной ванны для каждого режима сварки достигается оптимальным расходом газа. Для уменьшения опасности окисления размеры сварочной ванны должны быть минимальными. Сварку металла толщиной до 10 мм обычно ведут справа налево, так называемым «левым» способом, который позволяет снизить перегрев свариваемого металла.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

В сварных конструкциях используют чистый алюминий и его сплавы – алюминиево-марганцевый (АМц), Алюминиево-магниевый (Амг3, АМг5, АМг6), Алюминиево-магниево-медный (дюраль Д1), Алюминиево-кремнистый (АК4), Алюминиево-магниево-цинковый (В95).

Сплавы можно разделить на две группы: деформируемые, применяемые в виде проката, поковок и т. п., и литейные, применяемые дли отли­вок. Сварку алюминиевых литейных сплавов (обозначение Al) используют при исправлении дефектов литья. Деформируемые сплавы разделяют на нетермоупрочняемые (система легирования А1 — Мn марки АМц, Al—Mg марки АlМг) термоупрочняемые более сложной системы легирования (Al—Mg—Сu; Al—Zn—Mg; Al — Si—Mg). Все нетермоупрочняемые сплавы поставляют в отожжен­ном состоянии и поэтому воздействие термическою цикла сварки не вызывает разупрочнения металла в зоне термического влияния.

При сварке термоупрочненных сплавов вследствие выпадения ннтерметаллидов под действием термического цикля сварки металл в зоне термического влияния разупрочняется. Поэтому применение сплавов этой группы для сварных конструкций нецелесообразно. Если после завершения сварки, возможно осуществить двойную термообработку (закалку и искусственное старение) для восстановлении исходных свойств металла в разупрочненном металле зоны термического влияния, применение их для сварных конструкций целесообразно. Эффект естественного старения недостаточен для полного восстановления исходных свойств металла в этой зоне.

Трудности сварки алюминия и его сплавов следующие.

1. Наличие и возможность образования тугоплавкою окисла А1₂О₃ (Т_пл — 2050°С) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняет сплавление кромок соединении и способствует загряз­нению металла шва частичками этой пленки. Перед сваркой для удаления пленки следует очищать поверхности кромок и приле­гающего основного металла и особенно тщательно поверхность присадочного металла (в связи с большой поверхностью и относи­тельно малым объемом), травлением или механическим путем.

Окисную пленку, образующуюся при сварке, удаляют либо катодным распылением, либо применяя флюсы, которые обеспечивают ее растворение пли разрушение с переводом в летучее соединение. Так, например, при использовании флюсов состава 50% КС1; 15% NaCI; 35% Na₃ АIF₆, происходит разрушение А1₂О₃ по реакции

А1₂О₃ + 6KCI = 2AICl₃ + ЗК₂0

и растворение А1₂О₃ в криолите Na₃АIF₆, с образованием легко­плавкого шлака (NaCI снижает температуру плавления криолита). Криолит не только растворяет А1₂О_3, но, изменяя поверхностное натяжение металла, способствует образованию мелкокапельного переноса электродного металла. Остатки флюса и шлака (едкие щелочи) способствуют коррозии алюминия. Поэтому при применении флюсов и покрытых электродов после сварки необходимо смывать остатки флюса и шлаки горячей водой.

2. Резкое падение прочности при высоких температурах может привести к разрушению (проваливанию) твер­дого металла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. В связи с высокой жидкотекучестью алюминий может вытекать черезкорень шва. Размеры сварочной ванны трудно контролировать, так как алюминий при нагреве практически не меняет своего цвета. Для предотвращения провалов или прожо­гов при однослойной сварке или сварке первых слоев многопроход­ных швов на большой погонной энергии необходимо применять формирующие подкладки из графита или стали.

3. В связи с большой величиной коэффициента линейного расширения и низким модулем упругости сплав имеет повышен­ную склонность к короблению. Поэтому необходимо прибегать к жесткому закреплению листов с помощью грузов, а также пневмо- или гидравлических прижимов на специальных стендах для сварки полотнищ и секций из этих сплавов. Ввиду высокой тепло­проводности алюминия приспособления следует изготовлять из материалов с низкой теплопроводностью (легированные стали).

4. Необходима самая тщательная химическая очистка свароч­ной проволоки и механическая очистка и обезжиривание свари­ваемых кромок, так как сварку осложняет не только окисная пленка. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретом металле и задержкой их в металле при его остывании возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Водород, растворенный в жидком металле, должен в количестве 90—95% своего объема выделиться из металла в мо­мент его затвердевания. Этому препятствует пленка тугоплавких окислов и низкий коэффициент диффузии водорода в алюминии.

Поры образуются преимущественно в металле шва; часто наб­людают поры у линии сплавления в связи с диффузией водорода из основного металла под действием термического цикла сварки. Предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 150— 250 ⁰С при сварке толстого металла замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, способствуя более полному удалению газов и уменьшению пористости. Наибольшей склонностью к порам обладают сплавы типа AMr.

5. Вследствие высокой теплопроводности алюминия необхо­димо применение мощных источников теплоты. С этой точки иро­ния в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120—150 ⁰С или применение предварительного и сопутствующего подогрева.

6. Металл шва склонен к возникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва и выделением но границам зерен легкоплавких эвтектик, а также развитием зна­чительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7%).

Легкоплавкая эвтектика на основе кремния (Т_пл= 577 ⁰С) 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 (0,2—0,5%) в металл шва вводят железо (Fе > Si), что при­водит к связыванию кремнии в тройное соединение Fе - Si—Al входящей в состав тугоплавкой перитектики. Это препятствует растворению кремния в жидком ликвате.

При сварке сплавов системы Al –Zn - Mr возможно замедлен­ное разрушение — образование холодных трещин через некоторое время после сварки, обусловленное действием сварочных напря­жений первого рода и выпадением и коагуляцией интерметаллидов.

Алюминии и его сплавы можно сваривать многими способами дуговой сварки, угольным электродом, металлическим покрытым электродом, плавящимся электродом но слою флюса, вольфрамо­вым и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов и электрошлаковой сваркой. Наиболее важное значение в настоя­щее время имеет ручная и механизированная сварка в инертных газах.

В среде инертных газов сварку выполняют неплавящимся (вольфрамовым) и плавящимся электродами. Вольфрамовые электроды лантанированные или иттрированные. Инертные газы аргон 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 10157-73, гелий повышенной чистоты и смесь аргона с гелием. Сварка вольфрамовым электродом диаметром 2—6 мм целесообразна для металла толщиной до 12 мм. Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алюминия — проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа AM г — проволоки той же марки, но с увеличенным (на 1—1,5%) содержанием магния для компен­сации его угара. Диаметр присадочных прополок 2—5 мм.

Ручную аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом ведут на переменном токе на установках типа УДГ-300, УДГ-500, при расходе аргона 6—15 л/мин. Сварку можно выполнять не только в аргоне, но и в гелии при расходе гелия в 1,8—2,2 раза выше, чем аргона. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15—20 В, при сварке в гелии 25-30 В (Табл.)

При толщине листов до 3 мм сварку можно вести за один проход на подкладке, металл толщиной 4-6 мм мож­но сваривать без скоса кромок за два про­хода с двух сторон. При толщине металла свыше 6 мм необходи­ма Y-образная раздел­ка и увеличение числа проходов до четырех ( = 8 - 15 мм). Возможна также Х-образная разделка. Сварка вольфрамовым электродом легко механи­зируется установкой горелки на каретку или механизированной подачей присадочной проволоки, как это сделано в специализи­рованном автомате дли сварки вольфрамовым электродом типа АДСВ-2.

Таблица Режимы сварки алюминия

Производительность сварки вольфрамовым электродом можно повысить в 3—5 раз, если использовать трехфазную дугу. Это повышает мощность источника и позволяет за одни проход (на подкладке) сваривать металл толщиной до 30 мм.

Совокупность трех дуг — двух зависимых (горящих между электродами и изделием) и одной независимой (горящей между вольфрамовыми электродами) позволяет нагревать металл непре­рывно, так как постоянно существует одна из разновидностей дуг. При ручной сварке» металла толщиной 5-6 мм используют вольфра­мовые электроды диаметром 1,5—3 мм. Сила сварочного тока I_св = 40d_w; диаметр присадочной проволоки 2—3 мм; скорость сварки 8—12 м/ч.

Процесс легко механизируется; для этого вида сварки сущест­вует специализированный автомат АДТГ-600. Толщина сваривае­мого за один проход металла 8- 30 мм, диаметр вольф­рамовых электродов 8—10 мм; сила сварочного тока I_св = (60-65)d_w : диаметр присадочной проволоки 2—2,5 мм; скорость сварки от 30 м/ч ( == 8 мм) до 4м/ч ( = 30 мм). Сварка вольфра­мовым электродом позволяет получить соединения наиболее высокого качества.

Сварка плавящимся электродом возможна в чистом аргоне, либо всмеси из аргона и гелия (до 70% Не) па постоянном токе обратной полярности проволокой диаметром 1,5—2,5 мм . Разделка кромок V-образная и Х-образная с углом раскрытия 70—90⁰, либо рюмкообразная с углом раскрытия 30⁰; притупление 6 мм. Такое раскрытие кромок необходимо для размещения в раз­делке наконечника горелки (рис.). Порядок заполнения разделки показан на рис. Б. Угловые швы свариваются про­волокой диаметром 1,5—2 мм при силе сварочного тока 200—300 А, напряжении дуги 16—24 В, расходе аргона до 15 л/мин.

Скорость сварки определяется сечением шва и может достигать 30—40 м/ч. Хотя для сварки используют стандартное оборудо­вание, необходимо обеспечить скорость подачи проволоки до 400 м/ч. При использовании газовой смеси из 30% Аг и 70% не удается за один проход (на подкладке) сваривать металл толщиной до 16 мм, за два прохода — до 30 мм, так как при этом составе смеси увеличивается и ширина и глубина провара. В этом случае форма шва приобретает более благоприятную форму (рис. 1 в).

Механизированная сварка плавящимся электродом может быть выполнена с использованием фторидно-хлоридных флюсов марок AН-A1 и АН-А4. Флюс марки АН-А1 используют для сварки технического алюминия, флюс марки АН-А4, не содержащий NaCI, — для алюминиево-магниевых сплавов. Для сплавов этого типа наличие NaCI во флюсе недопустимо, так как за счет магния и алюминия из флюса восста­навливается натрий; он попадает в шов, а результате в металле возникает пористость и снижается пластичность.

Рис.1 Сварка толстолистовых алюминиевых сплавов плавящимся электродом

Механизированную сварку ли­стов ведут по слою флюса, так как даже нерасплавленный флюс обладает большой электропроводностью, шунтирует дугу нарушает ста­бильность процесса. Толщина и ширина слоя насыпаемого флюса зависят от толщины свариваемого металла (обычно 10—16 мм). Возможна сварка одиночным и сдвоенным электродом па посто­янном токе обратной полярности. С обратной стороны шва для предотвращения протеков жидкого металла необходима сталь­ная формирующая подкладка.

Из- за малой жесткости проволоки, колебания ее конца откло­нения от оси шва могут привести к непроварам. В этом случае более благоприятные результаты дает сварка сдвоенным элек­тродом, так как увеличиваются размеры сварочной ванны и время пребывания металла в жидком состоянии, а следовательно, улуч­шается дегазация и уменьшается пористость. Автоматы типа ТС-17МА, приспособленные для сварки алюминия, имеют доза­торы флюса и водоохлаждаемые мундштуки. В последние годы разработаны флюсы, при использовании которых дуга горит под слоем флюса.

Ручную дуговую сварку покрытыми электродами применяют при толщине металла свыше 4 мм, сварку ведут на постоянном токе обратной полярности, как правило, без поперечных коле­баний.

При сварке технически чистою алюминии и сплавов АМц, металлический стержень электрода изготовляют из проволок состава, близкого к составу основного металла. Для сплавов типа АМг следует применить проволоку с повышенным содержанием магния (1,5—2%) для компенсации его угара при сварке. Основу покрытия электродов составляют криолит, хлористые и фтористые соли натрия и калия.

При толщине металла свыше 10 мм необходима V-образная разделка кромок с углом раскрытия 60, ⁰ и притуплением 1-2 мм. При сварке алюминия необходим предварительный подогрев металла до температуры 100—200 ⁰С (особенно в начале шва). Диаметр электродов 4—8 мм; сила сварочного тока I_св = (45-55)d_э.

Ручную дуговую сварку угольным электродом используют только для неответственных конструкций (и основном для алю­миния). Сварочный ток примой полярности. Диаметр угольного электрода d_y = 10-20 мм; сила сварочного тока I_св = (20-25)d; напряжение 25- З5В. Присадочный пруток из алюминия марки А1 или сплава марки АК5 (с кремнием, уменьшающим опасность кристаллизационных трещин) диаметром 2 -5 мм. На присадоч­ный пруток предварительно наносят слой флюса многократным окунанием прутка и водный раствор флюса подходящего состава (смеси фторидно-хлоридпых солей).

Тема 2.8 Технология сварки меди и её сплавов. Характеристика меди и её сплавов. Металлургические особенности сварки. Выбор способов сварки. Сварочные материалы. Особенности технологии сварки.