рочной ванне при аргонодуговой сварке, - влага, адсорбированная поверхностью металла, и влага, входящая в состав оксидной плёнки в виде гидратированных оксидов. Количество её определяется состоянием поверхности металла и зависит от предшествующей обработки его 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. Эти пузырьки всплывают, пока позволяет вязкость окружающего металла. Не успевшие всплыть газовые пузырьки после кристаллизации металла остаются в нём в виде неплотностей, как правило, сферической формы - газовой пористости.
Добавки магния к алюминию оказывают неблагоприятное влияние на защитные свойства оксидной плёнки и приводят к увеличению диффузии водорода в сплавах и его растворимости. На поверхности сплавов, содержащих более 3% Mg, образуется сложная плёнка, состоящая из оксидов алюминия и магния. Она обладает способностью удерживать значительно большие количества влаги, чем плёнка на чистом алюминии.
При сварке плавлением со шлаковой защитой основным источником водорода, растворяющегося в металле шва, служит влага, содержащаяся в электродных покрытиях и флюсах.
Испарение легирующих элементов при сварке алюминия.
Наименьшей температурой кипения и наибольшим давлением паров из элементов, часто встречающихся в алюминиевых сплавах, обладают цинк и магний. При сварке появляется опасность потерь этих элементов в результате их испарения.
Так, при дуговой автоматической сварке по слою флюса сплава АМг6 потери магния из основного и присадочного металлов различны. Если из основного металла теряется до 5- 10% Mg от общего содержания в сплаве, то из присадочного металла - до 65% и более.
216
Значительно более высокие температуры кипения других элементов (меди, кремния, марганца, железа и др.), присутствующих в сплавах алюминия, исключают опасность заметных потерь их за счёт испарения.
Кристаллизация алюминия и его сплавов. Кристалличе-
ская структура металла шва в значительной степени определяет его механические свойства.
Чистый алюминий при кристаллизации образует грубую кристаллическую структуру, поэтому при сварке алюминия высокой чистоты в сварном шве часто образуются трещины.
Измельчение кристаллической структуры металла швов может быть достигнуто модифицированием металла шва в процессе сварки. Аналогичные результаты даёт применение магнитного перемешивания металла в ванне. В качестве модификаторов можно использовать титан, цирконий, бор.
Для всех методов сварки характерно наличие больших скоростей охлаждения и направленного отвода теплоты. При кристаллизации в этих условиях развивается дендритная ликвация, что приводит к появлению в структуре металла эвтект и- ки. Наличие эвтектики приводит к снижению пластичности и прочности металла, вызывает появление трещин в швах в процессе их кристаллизации.
Склонность сплава к трещинообразованию возрастает по мере увеличения содержания элемента, образующего эвтектику, достигает максимума при определённой его концентрации и затем снижается.
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 термиче-
ского влияния (ЗТВ). При сварке чистого алюминия и сплавов, не упрочняемых термообработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и незначительное разупрочнение, вызванное снятием нагартовки (если сплав сваривался в нагар-
217
тованном состоянии).
При сварке сплавов, например, алюминиево-медных, упрочняемых термообработкой, в зонах около шва происходят изменения, существенно снижающие свойства свариваемого металла. В ЗТВ присутствуют участки металла с различной степенью распада твёрдого раствора и коагуляции упрочнителя CuAl2. Самое опасное изменение, вызывающее в большинстве случаев резкое падение механических свойств металла и образование трещин, - оплавление границ зёрен. Появление жидких прослоек по границам зёрен приводит к снижению механических свойств металла в нагретом состоянии и к образованию трещин, то есть после сварки в участках оплавления металл резко охрупчивается.
При сварке отожженного сплава в зоне термического влияния по мере повышения максимальной температуры нагрева металла в соответствии с диаграммой состояния происходят процессы растворения выпавшего упрочнителя. Особенно заметны процессы растворения дисперсных выделений второй фазы в объёме зерна на участках металла, нагревавшихся
выше температуры 350°С.
По мере повышения температуры нагрева происходит укрупнение выделений упрочнителя CuAl2 по границам зёрен. Этот процесс продолжается на участках металла, нагревавших-
ся от 500°С до температуры плавления эвтектики (548°С).
На участках, нагревавшихся выше температуры 548°С по границам зёрен появляются жидкие прослойки, что объясняется развитием контактного плавления между частицами упрочнителя фазы CuAl2 и окружающим твердым раствором.
При сварке закаленных сплавов в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зерна. Ширина этой зоны меняется в зависимости от метода и режима сварки.
В связи с наличием сплошной сетки оплавленной эвтектики сварные соединения из закаленного металла имеют низ-
218
кую пластичность и легко разрушаются при небольшой деформации и циклических нагрузках. При сварке жёстких узлов из закалённого металла по границе сплавления часто возникают трещины. Последующей термообработкой не удаётся восстановить свойства металла в этой зоне.
Проблема сварки высокопрочных алюминиевых сплавов, упрочняемых термообработкой, может быть решена при условии создания специальных свариваемых сплавов этой группы. Перспективны самозакаливающиеся сплавы систем: Al-Zn-Mg
(В92Ц, АЦМ, 1915 и др.); Al-Cu-Mn (типа 1201); Al-Mg-Li (типа 1420).
Технологические особенности сварки заключаются в следующем. При сварке конструкций из алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили стыковые соединения. Нахлесточные, тавровые и угловые соединения желательно выполнять контактной и аргонодуговой сваркой, так как при применении сварки с использованием флюса, возникает опасность последующей их коррозии, вызванной остатками флюса.
При сварке угловых соединений в металле шва возможно появление дефектов в виде включений оксидных пленок в корневой части стыка в связи с недостаточным перемешиванием металла и отсутствием прогрева требуемой величины. При выполнении таких соединений лучшие результаты могут быть получены при сварке плавящимся электродом, обеспечивающим наиболее энергичное перемешивание ванны и дробление оксидов.
При односторонней сварке первый валик следует всегда выполнять на подкладке или применять разделку в виде замка. Подкладка из нержавеющей стали или меди, устанавливаемая только на время сварки, должна иметь канавку глубиной 0,8-1 мм и шириной 6-10 мм для формирования усилий с обратной стороны шва. Непровары в этом случае практически исключены, так как при сварке на подкладке можно значительно увеличить сварочный ток и тем самым гарантировать проплавле-
219
ние. Однако при односторонней сварке, особенно при сварке неплавящимся электродом, очень часто появляется другой дефект – несплавление в корне шва, чаще переходящее в трещину глубиной до 0,5-0,8 мм. Появление такого дефекта связано с активным окислением корневой части свариваемых кромок в процессе нагрева. Образовавшиеся оксиды не разрушаются под действием дуги, препятствуя сплавлению кромок. Под действием растягивающих напряжений, возникающих в корне шва при охлаждении, происходит раскрытие несплавившихся участков и развитие трещины в глубь металла шва. Для устранения или предупреждения появления этих дефектов рекомендуется следующее:
1.Защищать корень шва от активного окисления путем поддува защитного газа с обратной стороны шва.
2.Усиление с обратной стороны шва переплавлять сваркой неплавящимся электродом.
3.После сварки подрубать или запиливать усиление не менее чем на 1 мм.
4.Обеспечивать надежное «опускание» оксидных пленок на дно сварочной ванны, для чего необходимо применять разделку со скругленными внутренними кромками, с радиусом, равным половине высоты притупления.
При многослойной сварке плавящимся электродом наложение первого, а также второго валиков (если первый выполняли со сквозным проплавлением) целесообразно производить на подкладке для исключения прожога.
Качество сварных соединений из алюминия и его сплавов
взначительной степени определяется подготовкой поверхности свариваемых кромок и электродной проволоки. Перед сваркой тщательно удаляют жировую смазку, которой покрывают полуфабрикаты при консервации. Поверхность металла на ширине 100-150 мм от кромки обезжиривают ацетоном, авиационным бензином, уайт-спиритом или другими растворителями.
220