Гуревич С. М.
СПРАВОЧНИК ПО СВАРКЕ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
*** 1990 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Зарождение пузырьков водорода начинается в процессе кристаллизации. При сварке алюминия от поверхности оплавленных зерен вырастают по сечению на однн-два порядка более крупные кристаллы, на стыках и торцах которых создаются углубления, способствующие зарождению пузырьков.
На пористость при сварке алюминия влияют состав сплавов и особенности технологии сварки. С увеличением концентрации магния в сплаве предельно допустимое содержание водорода в дуге возрастает. Сплавы с I % Zn обладают более высокой склонностью к порам, чем нелегированный алюминий, а сплав с 6,5 % Zn — намного меньшей. Небольшие добавки бериллия (0,0005—0,i %) снижают склонность алюминиево-магниевых сплавов к пористости. Уровень пористости в шве зависит от объема канавки в подкладке. Форму канавки выбирают такой, чтобы она обеспечивала полное проплавление кромок (при однопроходной сварке), а сечение ее было минимальным. Увеличение внеш. него давления выше атмосферного снижает опасность образованпя пор, При сварке неплавящнмся электродом увеличение сварочного тока приводит к росту пористости швов. Повышение напряжения дуги приводит к незначительному повышению пористости при сварке плавящимся электродом в аргоне и такому же снижению пористости при сварке по флюсу. Наблюдается непрерывное снижение пористости при повышении скорости сварки от 12 до 18 и 30 м/ч. С увеличением скорости сварки до 38 м/ч пористость возрастает, а прп дальнейшем увеличении до 60 м/ч снова падает. С ростом скорости сварки средний диаметр пор непрерывно снижается от 1,6 до 0,8 мм и ниже. Добавка в свариваемый сплав до 0,1 % Be практически устраняет околошовную пористость и поверхностные пузыри. Существенно снижают такую пористость длительная гомогенизация и вакуумная обработка расплава. По расположению в швах, сваренных в аргоне, различают поры, равномерно распределенные по сечению; поры, находящиеся в основном в усилении, по линии сплавления; удлиненные рыхлости; усадочные раковины в корне шва и др. Удлиненные рыхлости располагаются в корне швов, сваренных плавящимся электродом при очень больших плотностях тока. Для их предотвращения целесообразно использовать проволоку большего диаметра либо снизил ь величину тока. Основной мерой, направленной на уменьшение пористости при сварке алюминия, является уменьшение поступления водорода (влаги) в зону сварки. Проще всего это достигается при сварке неплавящнмся электродом в инертных газах. Однако и при других способах сварю) соблюдение технологической дисциплины позволяет получить плотные швы. Это может быть достигнуто следующим образом: 1) применением рациональной обработки поверхности кромок соединяемых деталей и проволоки (см. гл. 5). Перед сваркой алюминия не следует применять какие-либо органические реагенты. С практической точки зрения механически обработанные (насухо) поверхности представляют собой наилучшие условия для сварки; 2) оптимальной защитой зоны сварки, которая определяется количеством газа и наклоном горелки; 3) применением импульсно-дуговой сварки, магнитного перемешивания и других приемов, способствующих удалению газовых пузырьков из сварочной ванны. При ЭЛС легких металлов и их сплавов удается устранить пористость, изменяя размеры образующегося пороного канала и выбирая оптимальные пространственные положения сварочной ванны. Механизм возникновения лор при сварке магния аналогичен механизму, наблюдаемому при сварке алюминиевых сплавов с добавками магиня: выделение водорода при разложении остатков влаги, содержащейся в частицах оксидной пленки в сварочноЛ ванне, вследствие расплавления основного присадочного металлов 381. Поэтому в ка. честве основных мер борьбы с пористостью при сварке магниевых сплавов рекомендуется сведение к минимуму количества и размеров частиц оксидной пленки, попадающих в сварочную ванну (обработка поверхности кромок и проволоки, уменьшение доли присадочного ие. талла, участвующего в шве). Тяжелые металлы. На меди и ее сплавах образование пор обуслов. лено главным образом совместным действием водорода и кислорода. В отдельности они не вызывают пористости. При сварке меди Пересыценной водородом, но не содержащей кислорода, швы получаются плотными. Поэтому при сварке вакуумно-плотных прецизионных изделий пз бескислородной медн малой толщины в качестве защитного газа используется особо чистый водород (точка росы ниже —80 °С). Из пересыщенной кислородом меди с понижением температуры выделяется оксид Си20. В результате взаимодействия водорода с кислородом оксида медн образуется водяной пар, приводящий к образованию пористости. Активное протекание этой реакции при высокой температуре приводит к большой склонности медн к пористости. Это обусловлено также тем, что практически невозможно исключить совместное присутствие водороди и кислорода в сварочной ванне. При дуговой сварке меди пористость в швах может вызвать также азот (447. При сварке меди для предупреждения возникновения пор необходимо устранить источники попадания газов в шов. Сюда относятся следующие меры: тщательная очистка и обезжиривание кромок сваривеемого металла н присадочной проволоки, предохранение флюсов От засорения инородными органическими частицами и нх просушка перед сваркой, применение оптимальной технологии сварки. Так, однопроходная сварка металла со сквозным проплавлением, а также сварка широкими швамн приводят к снижению пористости швов. При сварке никеля н его сплавоо пористость швов вызывается азотом, кислородом н водородом. В условиях дуговой сварки никеля высокой чистоты в среде аргона основным источником пор является азот, который растворяется в жидком металле в больших количествах и практически нерастворим в твердом никеле. К образованию пор в металле шва приводит объемное содержание в защитной атмосфере более 0,05 % азота 349. Кислород при взаимодействии с водородом Может вызвать появление пор. Он также способствует появлению пор в при-сутствнн углерода. Кислород в никеле находится в виде оксида NiO. Водород, выделяющийся из никеля в процессе кристаллизации в результате снижения Растворимости, восстанавливает оксид никеля по реакции N10 + 2HtNi+НгО. (9.3) Углерод восстанавливает оксид никеля по реакции NiO + CtNi+CO. (9.4) Эти реакции после окончания кристаллизации приводят к пористости. Оксид углерода практически не растворяется в никеле. Протекание реакций (9.3) и (9.4) особенно вероятно при охлаждении, когда в связи с уменьшением растворимости NiO выделяется в виде самостоятельной фазы. Поэтому эти реакции могут вызывать не только пористость. Но н охрупчивание никеля из-за образования микротрещин, вызванного высоким давлением газообразных продуктов реакции 349. Важным условием получения беспорнстых швов при сварке никеля и его сплавов являются чистота свариваемых кромок, поверхности электродной проволоки, основного металла и сварочных материалов (флюсов, покрытий электродов, защитных газов); раскисление никеля в процессе сварки и связывание водорода. Эта задача решается путем введения в сварочную ванну сильных раскислителей (алюмнни я. титана н др.), а также применением флюсов или покрытий, способных связывать оксиды никеля или переводить водород в стойкие летучие соединения HF или гидроксид ОН (введение во флюсы и покрытия электродов Ti02,SiOs, CaF2 и др.). Фтористый водород и гидроксид практически не растворимы в никеле н удаляются в атмосферу. Химически активные и тугоплавкие металлы. Поры являются самым распространенным дефектом сварных соединений металлов данной группы. При непроваре сферические поры располагаются цепочкой по оси шва, при полном проваре — цепочкой и группами у границы сплавления. По сечению шва поры располагаются внутри шва на разном расстоянии от его поверхности и могут иметь размеры от 0,01 до 2—3 мм. Как и при сварке других металлов причиной образования пор являются газы (водород, азот, оксид углерода и др.). При аргонодуговой сварке неплавящнмся и плавящимся электродами металлов данной группы образуются газовые поры в виде удлиненных газовых полостей. Наиболее вероятным механизмом их образования является захлестывание, при наличии местного углубления в центре сварочной ванны, защитного газа жидким металлом. Эго подтверждается прямым определением содержания аргона в газовых полостях, полученных при неблагоприятных режимах сварки 276. При сварке титана и циркония образование пор связано с выделением водорода из сварочной ванны при крнвталлнэации. Вероятность образования пор водородного происхождения невелика, так как раэннпа в растворимости водорода в жидком и твердом металле сравнительно небольшая. Такой же механизм образования пор возможен при попадании в сварочную ванну азота и воздуха. Примесь кислорода не оказывает непосредственного влияния на пористость швов. Основным источником образован) я газовых пузырьков в сварочной ванне является влага, адсорбированная кромками и проволокой. В связи с тем что растворимость водорода в титане снижается с повышением температуры, газовые пузырьки зарождаются на стадии нагрева еш« до плавления кромок. Выделяется также влага, входящая в состав гидратированной оксидной пленки, находящейся на поверхности титана (349. Водород скапливается в макро- и микрополостях в зоне стыка н при попадании в сварочную ванну образует зародыши, к которым в дальнейшем присоединяются другие газы, выделяющиеся в процессе кристаллизации. Эти пузырьки в кристаллизующемся металле превращаются в поры. Роль кислорода в образовании пор может проявиться при взаимодействии поверхностных оксидов с углеродсодержащими веществами. Поры при этом вызывает образующийся газ. При сварке ниобнп образование пузырьков газа происходит по двум механизмам 240: зародыши пузырьков образуются в момент расплавления кромок на базе дефектов обработки торцевой поверхности, зародыши пузырьков оксида углерода образуются на базе межзснных каналов и щелей оплавленной поверхности кромок. Для предотвращения образования пор в сварных швах химически активных н тугоплавких металлов предложены следующие технологические меры: 1) тщательная обработка торцовых поверхностей кромок свариваемых деталей непосредственно перед сваркой механическим нли «тепловым» способом; 2) осветление свариваемых кромок и присадочной проволоки в кислом растворе. При сварке титана « его сплавов используется один яэ следующих составов (на 1 л раствора): а) 540 мл 65 %-ной HNO и 125 мл 40 %-ной HF; б) 340—390 мл НС1 (плотность 1,19 г/см4), 35— 60 мл HNOa (плотность 1,40 г/см). 50 г NaF с последующей промывкой в горячей воде и просушкой; 3) обеспечение надежной защиты зоны сварки н остывающих участков шва кондиционными инертными газами или прокаленными бескислородными флюсами без инородных включений (сварка под флюсом и ЭШС); 4) применение режимов сварки, обеспечивающих длительность существования сварочной ванны, достаточную для всплывания и удаления из нее пузырьков водорода; 5) использование при сварке флюсов-паст типа АНТ-А нли применение сварки с порошковой проволокой, приводящих к интенсификации процесса дегазации сварочной ванны; 6) использование ЭМП сварочной ванны н ультразвуковой вибрации; 7) Применение импульсных процессов сварки; в) оптимальная подготовка конструкций под сварку и регламен. тированне условий и сроков хранения подготовленных узлов. Во избежание образования в зоне сварки замкнутых полостей рекомендовано собирать стыки с гарантированным зазором. Для этого иногда применяют рифление торца одной из кромок стыкового соединения и тем самым после сборки в стыке создаются вертикальные каналы, уменьшающие пористость. При ЭЛС поры располагаются преимущественно в зоне сплавления. Снижение пористости в таких швах может быть достигнуто выбором соответствующих оптимальных режимов сварки (в первую очередь скорости сварки), применение двухпроходной сварки с полным проплавлением при каждом проходе. Конструкция подкладок при ЭЛС особенно влияет на образование пор в шве, поэтому выбором соответствующих Подкладок можно снизить склонность металла шва к порам (404). В зависимости от свойств сплава и условий эксплуатации допустимость пор в сварных соединениях устанавливается в каждом конкретном случае экспериментально. Недопустимая пористость исправляется подваркой, что повышает стоимость изготовления конструкций. Объемные дефекты, к которым относятся поры, легко выявляются радиографией. 9.4. Трещины в сварных соединениях и способы их предотвращения Горячие трещины. При сварке многих цветных металлов и сплавов горячие (кристаллизационные) трещины представляют собой опасный и распространенный дефект. Горячие трещины, по современным данным, невозможно отнести только к хрупким или вязким, но ближе они все же к хрупким трещинам. По характеру расположения они могут быть поперечными или продольными в зависимости от на-крапления вектора растягивающих напряжений. Факторы, вызывающие образование горячих трещнн, часто делят на механические и металлургические. К механическим относятся напряжения и деформации, размеры и форма сварочной ванны н др. Металлургические факторы — наличие жидкой фазы между дендрл-тамн или по границам кристаллитов, величина и положение эффективного интервала кристаллизации. Стойкость технического алюминия н алюминиево-марганцевого сплава АМц против образования трещин зависит от содержания железа н кремния в металле шва. Увеличение содержания кремния сопровождается вначале ростом трещинообразовання. При содержэнии железа до 0.05 % уже сравнительно небольшой рост концентрации кремния (до 0,10—0.15 %) приводит к резкому увеличению количества трещин. В этом случае трещины не появляются лишь прн наличии 1.4 % Si. Количество трещнн уменьшается, а максимум сдвигается в сторону большего содержания кремния по мере увеличения концентрации железа. Для предотвращения трещин и получения высоких механических свойств соединений достаточно иметь в сплаве 0.25—0,45 % Fe и 0,20—0,40 % Si при обязательном превышении содержания железа над кремнием. Рост содержания магния до 3 % снижает склонность к трещинам. Из сварных швах сплавов системы Al—Си максимум склонности к образованию трещин наблюдается при содержании около 3 % Си. При равном содержании мели п магния в сплаве и их суммарном содержании 7—8 % трещпны не появляются. На сплавах системы Al—Zn—Mg цинк является отрицательным, а магний — положительным с точки зрения предотвращения трещин I, 260. Способ и режим сварки различно сказываются на металлургических и механических факторах, способствующих образованию горячих трещин. Переход от сварки неплавящнмся к сварке плавящимся электродом обычно благоприятно сказывается на снижении склонности к образованию трещнн. Применение ЭЛС вместо дуговой сварки резко снижает эту склонность при сварке многих сплавов. Влияние скорости сварки и предварительного подогрева изделия на склонность к трещинам представляется кривыми с максимумом и носит однотипный характер. Эффективным средством предотвращения горячих трещин в швах алюминия н его сплавов является правильный выбор метода и режима сварки, а также химического состава шва. Прн однопроходной сварке равного сечения склонность к трещинам снижается в зависимости от способа сварки в такой последовательности: газовая сварка, яргоноду-говая неплавящнмся электродом, сварка в аргоне и смесях инертных газов плавящимся электродом, гелиево-дуговая. ЭЛС. Многослойные швы менее склонны к трещинам, чем многопроходные, за исключением первого прохода. Местный предварительный подогрев зоны сварки может вызвать повышение трещинообразовання. Общий подогрев всего изделия обычно не применяется пэ-эа потери устойчивости конструкции. С целыо снижения склонности к трещинам термообрабатываемые сплавы рекомендуется сваривать в отожженном состоянии, а полную термообработку проводить после сварки. Возможно появление горячих трещпн в нетехнологпчных конструкциях с большим количеством пересекающихся швов. Магниевые сплавы обладают повышенной склонностью к образованию в швах горячих трещнн. Основным металлургическим направлением, обеспечивающим получение швов без трещин, является применение присадочного материала, отличающегося по химическому составу от основного металла. Так, при сварке сплава МА8 хорошие результаты дает использование прпсадочной проволоки, содержащей алюминий. |
