Лекция № 10 (4 часа). 10. Технология сварки цветных. Особенности сарки алюминия, меди, титана, никеля и их сплавов. 10. 1. Особенности сварки алюминия, меди, титана, никеля и их сплавов

Лекция № 10 (4 часа)

10. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ. ОСОБЕННОСТИ САРКИ АЛЮМИНИЯ, МЕДИ, ТИТАНА, НИКЕЛЯ И ИХ СПЛАВОВ

10. 1. Особенности сварки алюминия, меди, титана, никеля и их сплавов

 

По химической активности, температурам кипения и плавления, теплопроводности, плотности, механическим характеристикам, от которых зависит свариваемость, цветные металлы можно разделить на группы:

- лёгкие (алюминий, магний, бериллий);

- активные и тугоплавкие (титан, цирконий, ниобий, тантал, хром);

- тяжёлые (медь, никель);

- драгоценные (золото, серебро, платина).

Температуры плавления и кипения цветных металлов относительно невысокие, поэтому при сварке легко получить перегрев и даже испарение металла. Если сваривают сплавы металлов, то перегрев и испарение его составляющих может привести к образованию пор и изменению состава.

Способность цветных металлов и их сплавов легко окисляться с образованием тугоплавких оксидов значительно затрудняет процесс сварки, загрязняет сварочную ванну оксидами, снижает физико-механические свойства сварного шва. Ухудшению качества сварного соединения способствует также повышенная способность расплавленного металла (сплава) поглощать газы (кислород, азот, водород), что приводит к пористости металла шва.

Большая теплоёмкость и высокая теплопроводность цветных металлов их сплавов вызывают необходимость повышения теплового режима сварки и предварительного нагрева изделия перед сваркой. Сравнительно большие коэффициенты линейного расширения и большая литейная усадка приводят к возникновению значительных внутренних напряжений, деформаций и к образованию трещин в металле шва и околошовной зоны. Резкое уменьшение механической прочности и возрастание хрупкости металлов при нагреве могут привести к непредвиденному разрушению изделия.

 

10. 1. 1. Сварка алюминия и его сплавов

 

Алюминий – очень лёгкий металл, имеющий плотность 2, 7 г/см³. отличаясь малой массой, сравнительно высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью, алюминиевые сплавы широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Высокая коррозионная стойкость, теплопроводность и электропроводность во многих случаях делают их трудно заменимыми конструкционными материалами.

В сварных конструкциях получили распространение деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой (АД, АД 1, АМц, АМг6 и др. ), сплавы упрочняемые термообработкой (АД31, АД33, 1201, 1420 и др. ).

Алюминий обладает способностью активно взаимодействовать с кислородом. Образующийся оксид алюминия Al₂O₃ покрывает поверхность металла прочной и плотной плёнкой. Окисление алюминия при нормальной температуре после достижения предельной толщины плёнки практически прекращается, так как плёнка обладает защитными свойствами.

Важнейшей характеристикой плёнки оксида алюминия является её способность адсорбировать газы, в особенности водяные пары. Коэффициент теплового расширения плёнки почти в 3 раза меньше, чем у алюминия, поэтому при нагреве в ней образуются трещины. При наличии в сплаве легирующих добавок состав плёнки может меняться и становиться более сложным, включая оксиды этих добавок. Подобные сложные плёнки могут быть более рыхлыми, гигроскопичными и не обладать защитными свойствами.

Трудности сварки алюминия и его сплавов связаны с наличием на поверхности свариваемых кромок тугоплавкой оксидной плёнки (температура плавления 2050^оС), препятствующей сплавлению основного и присадочного металлов. Удаление оксидной плёнки производят тремя способами: механическим (наждачным инструментом, металлической щёткой, шабером), химическим (травлением, применением при сварке флюсов, содержащих фтористые и хлористые соли) и электрическим (сварка постоянным током обратной полярности или переменным током, катодное распыление). Следует иметь в виду, что при нагреве до температуры 400…500^оС прочность алюминия резко падает и деталь может разрушиться даже под действием собственного веса.

Дуговую сварку строительных конструкций производят угольным или плавящимся электродом. При сварке угольным электродом присадочным материалом служат прутки из алюминия А0, А1 или сплавов АМц, АК. Наличие кремния в присадочном материале повышает текучесть металла, снижает усадку и уменьшает опасность образования трещин в металле шва. Сварку выполняют постоянным током прямой полярности. Диаметр электрода выбирают в пределах 6…15 мм в зависимости от толщины свариваемых кромок. Сварочный ток соответственно составляет 150…500 А. Перед сваркой присадочный пруток и свариваемые кромки покрывают флюсом.

При сварке плавящимся электродом применяют стержни из сварочной проволоки марок СвА97, СвАМц, СвАК5 или проволоки из сплава того же состава, что и свариваемый металл. Сварку производят током обратной полярности с возможно короткой дугой. Сварочный ток определяют из расчёта 15…30 А на 1 мм диаметра электрода. Для удаления плёнок оксидов применяют флюс АФ4А, содержащий 28% хлористого натрия, 50% хлористого калия, 14% хлористого лития, 8% фтористого натрия. При сварке металлическими электродами применяют различные покрытия, которые содержат хлористый натрий, хлористый калий, фтористый калий, фтористый натрий, криолит, сернокислый натрий, хлористый литий и др. В качестве связующего вещества применяют декстрин или густой раствор поваренной соли. Покрытие наносят на стержень электрода слоем 1…1, 2 мм.

Листы толщиной до 3 мм сваривают с отбортовкой, а при толщине металла 4…8 мм – без скоса кромок. Листы толщиной более 8 мм сваривают со скосом кромок с углом раскрытия 60…70 ^оС. Кромки листов более 8 мм перед сваркой подогревают до температуры 200…250^оС. После сварки швы тщательно очищают от шлаков и остатков флюса – промывают горячей водой, протирают щёткой и ветошью. Для более полной очистки применяют травление 5%-м раствором азотной кислоты с последующей промывкой горячей водой и сушкой.

Автоматическую и полуавтоматическую сварку по флюсу применяют для листов и деталей с толщиной кромок более 8 мм. Дуга горит не в слое флюса, а над флюсом. Тонкого слоя флюса достаточно, чтобы защитить сварочную ванну и удалить оксидную плёнку. При большей толщине слоя флюса дуга шунтируется через шлак, обладающий высокой электропроводностью, и горит по слою флюса.

Применяются электродная проволока марки СвА97 или СвАМц диаметром 2…3 мм, флюс АН-А1, состоящего из хлористого натрия – 20%, хлористого калия – 50% и криолита – 30%. Флюс наносят на свариваемый шов слоем толщиной 10…35 мм.  

Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности при напряжении на дуге 38…44 В. Вылет электрода составляет 25…40 мм, сварочный ток – 300…450 А, а скорость сварки – 12…20 м/ч.

Аргонодуговая сварка алюминия и его сплавов получила наибольшее распространение. При её использовании нет необходимости применять относительно сложные флюсы и покрытия, остатки которых могут вызывать коррозию металла шва.

Сварку производят постоянным током обратной полярности или переменным током, но с обязательным применением осциллятора и балластного реостата.

Ручную сварку выполняют вольфрамовым электродом на установках УДГУ-301, УДГ-501 и ИСВУ-315. При толщине свариваемых кромок до 6 мм применяют электроды диаметром до 4 мм, а для кромок больших толщин – до 6 мм. Сварочный ток определяют из расчёта 30…45 А на 1 мм диаметра электрода. Расход аргона составляет 6…15 л/мин. Сварку производят при минимальной длине дуги (менее 2 мм), что обеспечивает энергичное разрушение оксидной плёнки вследствие катодного распыления и улучшенную защиту зоны сварки.

Полуавтоматическую и автоматическую сварку в среде аргона плавящимся электродом выполняют специальными шланговыми полуавтоматами и автоматами. Сварку производят постоянным током при правильном выборе режима сварки и применении обратной полярности. Используют сварочную проволоку СвА97, СвАМц, СвАК или того же состава, что и свариваемый металл. Металл толщиной до 10 мм сваривают без разделки кромок, при больших толщинах кромок применяют V- и Х-образные разделки швов. Сварочный ток при электродной проволоке диаметром 2, 0 мм составляет 250…300А, скорость сварки достигает 30…40 м/ч.

Газовая сварка алюминия даёт хорошие результаты при правильном выборе режима сварки и применении флюсов. Листы толщиной до 3 мм сваривают с отбортовкой кромок на высоту примерно утроенной толщины листа. При толщине листов до 5 мм сварку производят без скоса кромок с зазором до 0, 5 мм.

Листы толщиной 5…15 мм сваривают с односторонним, а при большей толщине – с двусторонним скосом кромок. Угол разделки составляет 60…70^оС. Сварку нахлёсточных соединений применять не следует, так как флюс, затекающий в зазор между листами, вызывает коррозию и разрушение шва. Кромки соединения и присадочную проволоку хорошо очищают от оксидной плёнки механическим или химическим способом.

Механическую очистку производят путём обезжиривания в щелочном растворе с последующей очисткой металлической щёткой. Сварку следует выполнять не позднее чем через 2 ч после очистки.

Химическую очистку производят в такой последовательности: кромки обезжиривают и протравливают в 5%-м растворе каустической соды, затем соединяемые части промывают водой, насухо протирают тряпкой и просушивают. Сварку следует выполнять не позднее чем через 8 ч после очистки. Флюс наносят на свариваемые кромки и присадочную проволоку в виде пасты или насыпают в разделку шва в виде порошка. Флюсы хранят в герметичных сосудах, так как они интенсивно поглощают влагу на воздухе. Сварку выполняют левым способом нормальным пламенем или с небольшим избытком ацетилена. При этом следует учесть, что большой избыток ацетилена способствует образованию пор в сварном шве. Большую опасность представляет избыток кислорода, который значительно затрудняет сварку, интенсивно окисляя алюминий. Угол наклона мундштука горелки в начале сварки устанавливают повышенный – 70…80^о, а затем уменьшают до нормального значения – 30…45^о.

Мощность сварочного пламени зависит от толщины металла:

 

Толщина металла, мм		1, 5…2	3…4	6…8
Мощность горелки, л/ч ацетилена		150…300	300…500	750…1000

 

При сварке силуминов рекомендуется предварительно подогреть изделие до 200…250^оС, а после сварки произвести отжиг при температуре 300…350^оС с последующим медленным охлаждением. Швы сварных соединений из проката проковывают лёгкими ударами в холодном состоянии. Остатки флюса и шлака тщательно удаляют с помощью металлической щётки и промывают горячей водой.

Электроды для сварки алюминия и его сплавов. В течение многих лет в промышленных масштабах применяют электроды марок ОЗА-1 (для технически чистого алюминия) и ОЗА-2 (для силуминов).

Из-за специфических особенностей физических свойств алюминия электроды состоят обычно из солей: галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов и криолита. В расплавленном состоянии галогениды совместно с криолитом создают необходимые условия для удаления оксидной плёнки и устойчивого горения дуги. Кроме того, стандартное связующее электродных покрытий – растворы жидких стёкол – не может быть использовано из-за потерь клеющей способности при взаимодействии с галогенидами покрытий.

В течение многих лет использовали электроды, изготовленные ручным способом окунания, с применением для создания связующего дистиллированной воды или раствора поваренной соли. Лучшие марки электродов ручного изготовления – АФ-4А, МАТИ.

Более совершенны электроды марок ОЗА-1 ОЗА-2, изготовляемые стандартным методом опрессовкой с использованием в качестве связующего раствора карбоксиметилцеллюлозы. В настоящее время разработаны более совершенные электроды серии ОЗАНА. Повышение сварочно-технологических свойств электродов обеспечено применением специальных связующих и расчётной оптимизацией состава и соотношения галогенидов.

Для электродов ОЗАНА характерны мелкокапельный перенос металла, стабильность горения дуги, хорошее формирование шва, в том числе в вертикальном положении, и лёгкая отделимость шлаковой корки. Кроме того, покрытие этих электродов менее гигроскопично и прочнее по сравнению с покрытием электродов ОЗА, а сами электроды обладают большей производительностью: α _н = 8, 0 г/(А∙ ч) против 6, 5 г/(А∙ ч).

 

Таблица 10. 1

Характеристика электродов для сварки алюминия и его сплавов (типичные значения)

 

Марка электродов	Химический состав наплавленного металла, %				Механические свойства сварного соединения при 20 оС
	Al	Ti	Si	Fe	σ в, МПа	α, град.
ОЗА-1	≥ 99	0, 2	0, 4	0, 1
ОЗА-2	Ост.	0, 2	5, 0	0, 1
ОЗАНА-1	≥ 99	-	≤ 0, 5	≤ 0, 2
ОЗАНА-2	Ост.	-	≤ 0, 5	≤ 0, 2

 

Электроды марки ОЗА-1

Основное назначение. Электроды с солевым покрытием, предназначены для сварки и наплавки деталей и конструкций из технически чистого алюминия марок А0, А1, А2, А3. сварка выполняется в нижнем и ограниченно вертикальном положении на постоянном токе обратной полярности.

Нормативно-техническая документация на электроды – ТУ-14-4-614-75.

Технические характеристики. Для стержня используется проволока марки ВСв-А5Н по ГОСТ 7871-75. Диаметр выпускаемых электродов 4, 0; 5, 0; 6, 0 мм.

 

Таблица 10. 2 – Химический состав наплавленного металла (типичный)

 

Содержание элементов, %
Al	Si	Тi	Fe	Cu
Остальное	0, 4	0, 2	0, 1	Следы

 

Таблица 10. 3

Механические свойства металла шва при нормальной температуре

 

Механические свойства	Временное сопротивление разрыву, МПа	Угол загиба сварного соединения, градус
Норма	≥ 63	≥ 160
Типичные

 

Таблица 10. 4

Рекомендуемая сила тока при сварке

 

Диаметр электрода, мм	Сила тока, А, в зависимости от положения шва
	Нижнее	Вертикальное
4, 0	100…120	100…120
5, 0	130…150	120…140
6, 0	160…180	-

 

Характеристики плавления электродов. Производительность (для электродов диаметром 4, 0мм) составляет 6, 5 г/(А∙ ч); 0, 7 кг/ч. Расход электродов на 1 кг наплавленного металла составляет 2 кг.

Особые свойства. Металл шва обладает коррозионной стойкостью.

Технологические особенности сварки. Сварку производят с предварительным подогревом изделия до температуры 250…400^оС ( в зависимости от толщины стенок свариваемых деталей) и очисткой кромок от оксидов и грязи. Шлак удаляют промывкой швов горячей водой и очисткой стальными щётками.

 

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: