Дуговая сварка алюминиевых сплавов

Из всех рассмотренных систем алюминиевых сплавов наибольший практический интерес представляют системы алюминий — медь — марганец, алюминий — магний — литий, алюминий — магний — бериллий. Применение сплавов этих систем обеспечивает значительное повышение прочностных свойств и снижение массы сварных конструкций по сравнению с ранее применявшимися сплавами системы алюминий — магний.

В связи с этим целесообразно подробно рассмотреть особенности дуговой сварки алюминиевых сплавов этих систем.

Сварка сплавов системы алюминий — медь — марганец

Для обеспечения качественного формирования сварных швов и достижения высоких показателей прочности и пластичности сварных соединений из алюминиевых сплавов необходимо обеспечить стабильное разрушение оксидной пленки [7, 79]. В связи с этим для сварки алюминиевых сплавов в течение многих лет применяется переменный синусоидальный ток. При сварке на переменном токе достигается надежное разрушение оксидной пленки вследствие катодного распыления. Однако сравнительно невысокие показатели проплавляющего воздействия дуги и стойкости электрода на переменном токе обусловливают более низкую производительность по сравнению с другими способами сварки алюминиевых сплавов.

В связи с изложенным проведены исследования основных технологических показателей процессов сварки неплавящимся вольфрамовым электродом применительно к сплавам системы алюминий — медь — марганец. Критерием оценки процессов сварки были следующие: качество очистки свариваемого металла от оксидных пленок, проплавляющее воздействие дуги и стойкость электрода к токовым нагрузкам.

В результате исследований (табл. 2.1) было установлено, что все эти показатели определяются видом применяемого сварочного тока. Причем на постоянном токе обратной полярности имеет место высокое качество очистки поверхности свариваемых деталей за счет эффективного использования катодного распыления дуги. Однако при использовании тока обратной полярности отмечаются очень низкие показатели стойкости электрода и проплавляющего воздействия дуги. В связи с этим процесс сварки на постоянном токе обратной полярности не может служить основой для изготовления сварных конструкций с широко применяемыми толщинами деталей (от 13 до 15 мм). Одним из путей повышения производительности процесса и качества сварных соединений при дуговой сварке неплавящимся электродом может быть применение для питания дуги разнополярных импульсов тока прямоугольной формы [17].

Таблица 2.7.

Зависимость геометрических параметров шва от формы сварочного тока.

Примечание: образцы из алюминиевого сплава АД1; скорость сварки 12 м/ч.

Данные табл. 2.1 показывают, что наибольшая ширина зоны катодной очистки свариваемых поверхностей получается при питании дуги постоянным током обратной полярности. С повышением значения коэффициента К, характеризующего отношение между составляющими тока прямой и обратной полярности, наблюдается ухудшение внешнего вида очищенной поверхности, вместо светлой и блестящей она становится тусклой и матовой. При сварке на постоянном токе прямой полярности в среде аргона зона катодной очистки практически не выявляется. Поэтому ранее при этом способе сварки сплавов типа АМгб и 1420 не удалось обеспечить качественного формирования шва, особенно при сварке с присадочной проволокой. Исследования процессов, протекающих в ванне расплавленного металла при сварке на прямой полярности в среде гелия [7,15, 52, 53, 79, 82, 86], показали реальную возможность разрушения оксидных пленок на сплавах системы алюминий — медь — марганец вследствие термохимических реакций с образованием газообразного соединения А1₂0. Замеры распределения температур в ванне показали, что имеются условия, способствующие интенсивному развитию реакции диссоциации оксидной пленки при использовании гелия в качестве защитной среды. Такое положение связано с тем, что гелиево-дуговая сварка на постоянном токе прямой полярности имеет ряд особенностей, принципиально отличающих ее от сварки на переменном токе в среде аргона и от сварки на постоянном токе (прямой и обратной полярности) в среде аргона.

Особые физические свойства гелия в сочетании с прямой полярностью резко повышают концентрацию тепловой энергии дуги, передаваемой изделию. Эта особенность процесса позволяет поднять верхний предел толщин металла, свариваемого за один проход, выполнять сварку на более высоких скоростях. Высокая концентрация тепловой энергии способствует получению узких швов и уменьшению размеров зоны термического влияния. Низкая тепловая нагрузка на неплавящийся электрод дает возможность придавать рабочему торцу необходимую геометрию, избежать его расплавления и попадания вольфрама в металл сварного шва.

В процессе разработки технологии гелиево-дуговой сварки было установлено, что наибольшая эффективность процесса и лучшее качество шва достигается при сварке на предельно короткой дуге. Подобные жесткие требования вызывают необходимость применения специальных систем для поддержания заранее заданного минимального дугового промежутка. Возможно применение двух принципиально различных систем поддержания стабильного дугового промежутка: автоматической системы для поддержания заданного напряжения на дуге (АРНД) или жесткой системы механического копирования свариваемых деталей [7, 53, 64, 81, 93].

При исследовании технологических характеристик процесса установлена высокая проплавляющая способность дуги прямой полярности в гелии, что позволяет выполнять сварку соединений сплавов типа 1201 толщиной 18—20 мм без разделки кромок за один проход. Для сравнения можно привести данные по другим дуговым способам сварки алюминиевых сплавов. На переменном токе можно за один проход без разделки кромок выполнять соединения не более А—5 мм, а при сварке плавящимся электродом требуется разделка кромок и многопроходная сварка. Типичные режимы однопроходной сварки алюминиевого сплава типа 1201 приведены в табл. 2.2. При сварке термически упрочняемых алюминиевых сплавов уменьшение погонной энергии должно влиять на величину зоны термического влияния. Эксперименты показали, что при однопроходной автоматической сварке сплава 1201 толщиной 6 мм ширина зоны термического влияния составляет 26—30 мм для гелиево-дуговой сварки и 40—45 для аргонодуговой сварки. При сварке других толщин сохраняется такое же соотношение — 1:1,5.

Небольшое тепловложение при гелиево-дуговой сварке и высокая концентрация энергии благоприятно сказываются на микроструктуре металла шва и зоны сплавления. Микроструктура шва характеризуется более мелким зерном и выделениями по границам зерен. Металл шва плотный, без дефектов типа пор и оксидных включений. Изменения в структуре зоны термического влияния незначительные. Таким образом, применение гелиево-дуговой сварки при изготовлении изделий из алюминиевых сплавов типа 1201 позволяет увеличить диапазон толщин материалов, свариваемых за один проход без разделки кромок, уменьшить ширину зоны разупрочнения основного металла, повысить прочностные свойства соединений по сравнению с другими дуговыми способами сварки.

Таблица 2.2

Режимы гелиево-дуговой сварки алюминиевого сплава 1201.

Экспериментальные данные [7, 92, 100], а также данные зарубежных исследований [129] показали, что стабильность горения дуги (особенно при сварке деталей толщиной 12—20 мм) может быть обеспечена за счет смещения дуги к передней кромке сварочной ванны. Для этого эффективно применение сварки эксцентричным электродом (смещение рабочего конца на 1—1,5 мм от оси электрода в сторону направления сварки) и установки на сопло горелки разрезного ферромагнитного кольца.

Технология сварки включает следующие операции — прихватка кромок сплошным швом гелиево-дуговой сваркой, проплавление корня шва гелиево-дуговой сваркой без присадки, выполнение косметического прохода гелиево-дуговой сваркой с присадкой. Необходимость применения прихватки сплошным или прерывистым швом возникает при сварке жестких конструкций с толщинами 5—6 мм, и связано с тем, что в зоне теплового воздействия дуги возникают деформации кромок или их смещение, что снижает стабильность процесса. Как показал опыт, прихватка сплошным или прерывистым швом при глубине проплавления 20—30% от толщины свариваемых деталей обеспечивает надежную фиксацию кромок.

При освоении гелиево-дуговой сварки сплавов типа 1201 потребовалось повысить требования к точности сборки деталей. Допустимое смещение установлено не более 10% толщины детали, зазор в стыке — не более 0,5 мм, неприлегание к подкладке — не более 0,1 мм.