Сварочные свойства алюминия и его сплавов

Основными факторами, затрудняющими осуществление процесса сварки алюминия и его сплавов и получение качественных сварных соединений, являются:

• 1) специфические тсплофизичсскис свойства;
• 2) высокая степень сродства к кислороду и образование прочного оксида АЬОз в виде пленки, покрывающей поверхность металла;
• 3) значительное превышение температуры плавления оксидной пленки (2050 °С) над температурой плавления алюминия (658 °С);
• 4) склонность к порообразованию в связи с высокой способностью алюминия растворять водород;
• 5) склонность многих сплавов к образованию горячих и холодных трещин;
• 6) большая жидкотекучесть расплавленного металла и резкий переход из твердого состояния в жидкое при нагреве;
• 7) склонность к разупрочнению.

Специфические генлофизические свойства. Для сварки большое значение имеют специфические тепловые свойства алюминия. При сравнительно низкой температуре плавления алюминий имеет очень высокие значения теплопроводности, теплоемкости и скрытой теплоты плавления. По величине скрытой теплоты плавления алюминий в два раза превосходит медь, в 3…4 раза — аустенитную нержавеющую сталь и уступает только бериллию. Поэтому, несмотря на низкую температуру плавления алюминия, для его сварки требуется сила сварочного тока примерно в 1,2… 1,5 раза больше, чем для сварки в равных условиях нержавеющих сталей (для толщин свыше 5 мм). Алюминий обладает также повышенным коэффициентом линейного расширения (почти в два раза больше, чем у железа), увеличивающимся с повышением чистоты металла и температуры нагрева. Объемная усадка расплавленного алюминия при затвердевании составляет ~ 6,6%, что значительно больше, чем у многих металлов и сплавов. Эти свойства алюминия приводят к большим внутренним напряжениям (или деформациям) при местном Haipeee. Кроме того, большая усадка отрицательно влияет на формирование шва. В конце шва после обрыва дуги, как правило, образуется глубокий кратер, возможно также появление трещин.

Образование оксидной пленки. Алюминий обладает большим сродством к кислороду. Окисление его может протекать даже при парциальном давлении кислорода порядка КГ⁴⁰ Па. Образующийся в результате оксид алюминия АЬ0₃ покрывает поверхность металла прозрачной прочной и плотной пленкой, защищающей металл от коррозии в воздушной среде, морской воде и в ряде окислительных сред слабой агрессивности. Предельная толщина пленки 5… 10 нм, образующейся на поверхности алюминия в атмосфере воздуха при комнатной температуре, устанавливается через 7… 14 дней. Оксидная пленка надежно защищает металл от активного окисления до температур 680…720 °С. Дальнейшее повышение температуры сопровождается ухудшением защитных свойств оксидной пленки и значительным ростом ее толщины.

Важной характеристикой оксидной пленки является се способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар, который удерживается оксидной пленкой вплоть до температуры плавления металла. Отличаясь значительной механической прочностью, оксидная пленка, несмотря на большую плотность, чем у алюминия, легко удерживается на поверхности жидкого металла силами поверхностного натяжения. Коэффициент температурного расширения оксидной пленки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в оксидной пленке образуются трещины.

Наличие оксидной пленки на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления, оксидная пленка, не расплавляясь в процессе сварки, покрывает металл прочной оболочкой, препятствуя образованию общей ванны. Поэтому, чтобы соединить сваркой детали алюминия и его сплавов, необходимо разрушить и удалить оксидную пленку, а также защитить металл от повторного окисления. Так как температура плавления оксидной пленки почти равна температуре кипения металла, то простым тепловым воздействием разрушить пленку практически невозможно. Трудность заключается еще в том, что алюминий и его сплавы в расплавленном состоянии обладают повышенной окисляемостью и с увеличением температуры нагрева резко возрастает скорость образования оксидной пленки. При сварке плавящимся электродом оксидная пленка покрывает не только поверхность сварочной ванны, но и поверхность капель расплавленного электродного металла, что препятствует их сплавлению с основным металлом.

Большая плотность оксидной пленки затрудняет ее удаление из жидкого металла (утонувшие частицы не могут всплыть на поверхность). Так как алюминий нс растворяет свои оксиды, то частицы, утонувшие в расплавленном металле ванны, приводят к формированию хрупких включений, нарушающих однородность металла и снижающих механическую прочность металла шва. В дальнейшем они являются очагами коррозии.

Очистка поверхности от оксидов. Удаление с поверхности металла образовавшихся оксидов и защита металла от дальнейшего окисления — одна из важнейших задач при сварке алюминия и его сплавов.

В большинстве случаев механически зачистить и химически протравить поверхность металла перед сваркой недостаточно, так как в процессе нагрева вновь образуется оксидная пленка. Поэтому в обязательном порядке в процессе сварки также используют способы разрушения оксидной пленки.

Известны два основных способа разрушения оксидной пленки в процессе сварки. Первый, более старый способ — разрушение пленки при помощи флюсов. 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 (NaCl, КС1, ВСЬ, LiCl) и их природных соединений, например, криолита (Na₃AlF₆), к которым добавляют небольшое количество фтористых соединений (KF, NaF), активизирующих действия флюсов.

Механизм действия флюсов заключается в следующем. В процессе нагрева металла благодаря различным коэффициентам теплового расширения металла и пленки в последней образуются мельчайшие трещины, куда затекает расплавленный флюс, содержащий хлориды. В результате взаимодействия алюминия с флюсом образуется соединение AICI3. Хлорид алюминия испаряется при температуре 183 °C и при сварке обладает высокой упругостью пара. Образующиеся в месте контакта с жидким металлом пары хлористого алюминия отрывают от его поверхности частицы пленки, которые уносятся движущимся флюсом и частично в нем растворяются.

Действие фторидов, содержащихся во флюсах, на повышение активности флюсов объясняется тем, что фториды, растворяя оксид алюминия преимущественно по границам образующихся в пленке трещин, обеспечивают доступ флюсов к жидкому металлу под пленкой, активизируя процесс ее разрушения парами хлористого алюминия.

Второй способ разрушения оксидной пленки — электрический. Этот процесс наблюдается при аргонодуговой сварке плавящимся электродом на токе обратной полярности или при сварке вольфрамовым элекгродом на переменном токе, когда катодом является изделие. В этих условиях разрушение оксидной пленки происходит за счет катодного распыления, обусловленного бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами. Вследствие относительно больших размеров ионы при соударении отдают свою энергию поверхностным атомам, в результате создаются благоприятные условия для их испарения. При этом в первую очередь испаряются атомы поверхностных оксидных пленок. Однако таким способом можно удалить только относительно тонкую пленку, поэтому ему предшествует предварительная качественная механическая или химическая обработка свариваемых деталей и присадочной проволоки. Для предупреждения дополнительного окисления сварочной ванны и засорения се оксидами в процессе сварки применяют аргон высокой чистоты.

Порообразование. Основной причиной появления пор в металле алюминиевых швов является водород, который в отличие от других газов обладает способностью растворяться в алюминии и при некоторых условиях образовывать поры в металле швов.

В реальных условиях сварки парциальное давление водорода в газовой фазе дуги ничтожно мало. Источником водорода, растворяющегося в алюминии, является реакция непосредственного взаимодействия влаги с металлом:

В результате этой реакции давление атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, возрастает, что приводит к значительному повышению концентрации водорода, растворенного в алюминии.

Основным источником водорода, растворяющегося в металле сварочной ванны при аргонодуговой сварке, является влага, адсорбированная поверхностью металла до сварки. Ее количество определяется состоянием этой поверхности и зависит от предшествующей ее обработки 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. После кристаллизации металла не успевшие всплыть газовые пузырьки остаются в нем в виде неплотностей, как правило, сферической формы — газовой пористости.

Для предотвращения пористости удаляют оксидную пленку, влагу и жировые загрязнения с поверхности свариваемых материалов и проволоки, осушают инертные газы, иногда при сварке используют подогрев и механическое воздействие на жидкий металл (ультразвуковые колебания, магнитное перемешивание).

Кристаллизационные трещины. При сварке алюминия и его сплавов наблюдается сочетание двух весьма неблагоприятных факторов, снижающих стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин. Это грубая столбчатая структура наплавленного металла с дендритным и транскристаллитным строением, а также ликвация примесей, образование различных эвтекгик и развитие значительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия.

Модифицирование (за счет титана, циркония, бора) металла шва в процессе сварки, магнитное перемешивание металла в ванне обеспечивают измельчение кристаллической структуры металла швов.

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 термического влияния. При сварке технического алюминия и сплавов, не упрочняемых термообработкой, в зоне теплового воздействия наблюдается рост зерна и незначительное разупрочнение, вызванное снятием нагартовки (если сплав сваривали в нагартованном состоянии).

Значительно более сложные процессы протекают в зоне термического влияния сплавов, упрочняемых термообработкой. Так, при сварке сплавов типа дуралюминов (Д1 и Д16) в зоне термического влияния присутствуют участки металла с различной степенью распада твердого раствора и коагуляции упрочнителей СиАЬ и AbCuMg. В непосред;

ственной близости от шва из-за наличия эвтектики располагается участок, в котором наблюдается самое опасное изменение — оплавление границ зерен, вызывающее в большинстве случаев резкое падение механических свойств металла и образование трещин. Характер распределения эвтектики в этом участке изменяется в зависимости от исходного состояния сплава. В сварных соединениях, полученных дуговой сваркой закаленного сплава, эвтектика располагается в виде сплошной сетки вокруг зерен твердого раствора, в то время как в соединениях из отожженного металла в залегании эвтектики появляются несплошности.

Ширина участка с залегающей эвтектикой меняется в зависимости от метода и режима сварки. Наиболее широкий участок оплавленной эвтектики появляется при газовой сварке и более узкий — при автоматической дуговой.

В связи с наличием сплошной сетки оплавленной эвтектики сварные соединения из закаленного металла имеют низкую пластичность и легко разрушаются при небольшой деформации и вибрационных или динамических нагрузках. При сварке жестких узлов из закаленного металла по границе сплавления часто возникают трещины. Последующей термообработкой не удается восстановить свойства металла в этом участке.

При сварке сплавов типа дуралюмина кроме опасного участка оплавления границ зерен в зоне термического влияния располагается разупрочненный участок полного или частичного отжига. Наибольшее разупрочнение и наименьшая твердость на этом участке наблюдается при нагреве до 350 °C. По мере снижения температуры нагрева эффект возврата снижается повторным действием естественного старения, в связи с чем твердость металла повышается и достигает значений, свойственных металлу вне зоны термического влияния. Для участка отжига характерно укрупненное зерно с увеличенной по толщине сеткой включений второй фазы.

Разные механические свойства участков зоны термического влияния и металла шва, полученные при сварке плавлением термически упрочняемых алюминиевых сплавов, подобных дуралюмину, приводят к тому, что прочность сварных соединений по сравнению с основным металлом снижается в среднем на 50…60%, причем одновременно уменьшается и пластичность. Различия в структурах различных участков также снижают коррозионную стойкость металла.

Проблема сварки высокопрочных алюминиевых сплавов, упрочняемых термообработкой, может быть решена при условии создания специальных свариваемых сплавов этой группы. Перспективны самозакаливающиеся сплавы, посгроенные на основе тройной системы.

Al-Zn-Mg (В92Ц, АЦМ, 1915 и др.), а также сплавы на основе системы Al-Cu-Mn (типа 1201) и сплавы на основе системы Al-Mg-Li (типа 1420).

Переход металла из твердого в жидкое состояние при нагреве.

Алюминий и его сплавы при нагреве свыше 400 °C, не изменяя своего цвета, резко переходят в состояние с минимальной прочностью. Поэтому при их сварке трудно определить границы перегрева металла. В случае сварки на весу излишний перегрев можно обнаружить, когда уже произошел провал металла. При ручной сварке эту проблему решают повышением квалификации сварщиков, при автоматической — точной настройкой режимов, особой геометрией швов (например, по отбортовке) и применением подкладок, формирующих обратную сторону шва.