новки позволяют повысить производительность при незначительном увеличении производственных площадей, а также повысить коэффициент загрузки источников нагрева.
По числу рабочих позиций, расположенных в вакуумной камере, установки делятся на однопозиционные и многопозиционные. Последние позволяют одновременно сваривать несколько изделий сразу и, следовательно, повышать в несколько раз производительность процесса.
По степени автоматизации установки можно разделить на установки с ручным, полуавтоматическим, автоматическим и программным управлением. Пока наиболее широко применяют установки с ручным и полуавтоматическим управлением.
Разработка и создание установок для диффузионной сварки в настоящее время ведется в направлении унифицирования систем (вакуумной, нагрева, давления, управления) и сварочных камер. Меняя камеру в этих установках, можно значительно расширить номенклатуру свариваемых узлов.
Сейчас диффузионная сварка используется для создания тонкостенных слоистых конструкций, соединения пористых спеченных заготовок из никеля с коррозионно-стойкой сталью при создании пористого фильтра; получения патронных фильтров; рабочих колес турбин закрытого типа из титанового сплава и др.
ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
ИСПЛАВОВ
3.1.Сварка алюминия и его сплавов
Для алюминия и его сплавов в принципе возможно применение практически всех основных промышленных способов сварки плавлением и давлением. Ручную дуговую сварку покрытыми электродами в настоящее время используют редко, хотя она в принципе возможна. Наиболее широкое распространение для изготовления конструкций приобрела дуговая сварка в среде инертных газов. Автоматическая дуговая сварка
211
с использованием флюсов применяется для крупногабаритных конструкций, электрошлаковая сварка – для металла больших толщин. При электроннолучевой сварке получаются швы, обладающие высокими механическими характеристиками. Из способов сварки давлением наиболее широко используется контактная сварка и сварка трением с перемешиванием.
Металлургические и технологические особенности свар-
ки.
Алюминий и его сплавы обладают специфическими свойствами, обусловливающими сравнительную сложность осуществления процесса их сварки. К таким свойствам относятся:
−высокая степень сродства к кислороду и образование
прочного оксида Al2O3 в виде плёнки, покрывающей поверхность металла;
−значительное превышение температуры плавления оксидной плёнки (2050°С) над температурой плавления алюми-
ния (~660°С);
−высокая способность алюминия растворять водород;
−склонность к порообразованию;
−высокая теплопроводность;
−высокий коэффициент линейного расширения;
−большая жидкотекучесть;
−резкий переход из твёрдого состояния в жидкое при на-
греве;
−склонность многих сплавов к образованию горячих и холодных трещин.
Взаимодействие алюминия с кислородом. Алюминий ак-
тивно взаимодействует с кислородом. Так, при температуре
1000°С реакция окисления алюминия может протекать даже при парциальном давлении кислорода порядка 10-40Па. Образующийся в результате оксид алюминия Al2O3 покрывает поверхность металла прочной и плотной плёнкой. Предельная
212
толщина плёнки, образующейся на поверхности алюминия в атмосфере воздуха при комнатной температуре устанавливается через 7-14 дней и достигает 5-10 нм. Оксидная плёнка на-
дёжно защищает металл до температур 680-720°С от активного окисления. Дальнейшее повышение температуры сопровождается ухудшением защитных свойств оксидной плёнки и значительным ростом её толщины
Важной характеристикой оксидной плёнки является её способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар - он удерживается оксидной плёнкой, вплоть до температуры плавления метала.
Отличаясь значительной механической прочностью, оксидная плёнка легко удерживается на поверхности жидкого металла силами поверхностного натяжения. Коэффициент температурного расширения оксидной плёнки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в оксидной плёнке образуются трещины.
Наличие оксидной плёнки на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки, не расплавляясь (из-за высокой температуры плавления) и покрывая металл прочной оболочкой, затрудняющей образование общей ванны. Кроме того, плотность оксидной плёнки составляет 3,85 г/см3, что существенно выше плотности жидкого алюминия, поэтому при сварке поверхностная оксидная плёнка оседает на дно ванны и способна существенно засорять сварной шов.
Присутствие на поверхности электродной проволоки оксидной плёнки сказывается на характере капельного переноса металла. При сварке в окислительной среде размер капель, переходящих с электрода, достигает большой величины, и горение дуги протекает неустойчиво.
В связи с вышеуказанным должны быть приняты меры для разрушения и удаления плёнки и защиты металла от повторного окисления.
Очистка поверхности от оксидов. Из-за большой хими-
213
ческой прочности соединения восстановление алюминия из его оксида в условиях сварки практически невозможно. Также не удаётся связать Al2O3 в прочное соединение по реакции «кислота + основание = соль». По этой причине действие флюсов, применяемых при сварке алюминия и его сплавов, основано на процессах разрушения (дробления) и смывания раздробленной оксидной плёнки расплавленным флюсом.
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, к которым добавляют небольшое количество фтористых соединений, активирующих действие флюсов.
Механизм действия флюсов заключается в следующем. В процессе нагрева металла благодаря различным коэффициентам теплового расширения металла и плёнки в последней образуются мельчайшие трещины. В трещины затекает расплавленный флюс, содержащий хлориды. В результате взаимодействия алюминия с флюсом образуется соединение AlCl3.
Хлориды алюминия возгоняются при температуре 183°С. Образующиеся в месте контакта с жидким металлом пары хлористого алюминия отрывают от его поверхности частицы плёнки, которые уносятся движущимся флюсом и частично в нём растворяются.
Благоприятное действие фторидов, содержащихся во флюсах, на повышение их активности можно объяснить тем, что фториды, растворяя оксид алюминия преимущественно по границам образующихся в плёнке трещин, обеспечивают доступ флюсов к жидкому металлу под пленкой, активизируя процесс её разрушения и удаления.
В условиях аргонодуговой сварки на обратной полярности возможно удаление оксидной плёнки за счёт катодного распыления. Катодное распыление обусловлено бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами.
214
Благодаря относительно большим размерам положительно заряженные ионы при соударении отдают свою энергию поверхностным атомам, создаются благоприятные условия для их испарения. При этом в первую очередь испаряются атомы поверхностных оксидных плёнок.
Взаимодействие алюминия с водородом. В отличие от других газов водород, абсорбированный металлом, может:
−растворяться в нём;
−сегрегировать (скапливаться) на несовершенствах кристаллов;
−адсорбироваться на поверхностях микрополостей в частицах вторых фаз;
−скапливаться в микрополостях;
−образовывать гидриды с основным металлом.
Для упрощения можно считать, что весь водород в алюминии находится в двух основных формах: в виде атомов или ионов в кристаллической решётке алюминия (растворённый водород) и в виде молекул в микрополостях, имеющихся в металле слитков и полуфабрикатов из алюминия.
Водород в алюминии образует эндотермический раствор, т.е. растворимость его увеличивается с ростом температуры. Избыток газообразного водорода в сварном шве объясняется скачкообразным уменьшением его растворимости в кристаллизующемся металле.
В реальных условиях сварки парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе дуги достаточно мало. Источником водорода, растворяющегося в алюминии, является реакция непосредственного взаимодействия влаги с металлом:
2Al + 3H2O = Al2O3 + 6H.
В результате развития этой реакции давление атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, возрастает, что приводит к значительному повышению концентрации водорода, растворённого в алюминии.
Основной источник водорода, растворяющегося в сва-
215