Электродуговая сварка и наплавка под керамическими флюсами

Раздел ГРНТИ: Сварка
Багрянский К.В.
Техника, 1976 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Электродуговая сварка и наплавка под керамическими флюсами
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
КЕРАМИЧЕСКИХ ФЛЮСОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ
 
ЭЛЕКТРОДУГОВЛЯ СВЛРКИ АЛЮМИНИЯ И НЕКОТОРЫХ ЕГО СПЛАВОВ ПОД КЕРАМИЧЕСКИМ ФЛЮСОМ (ЗАКРЫТОЙ ДУГОЙ)
 
В связи с непрерывно расширяющимся применением алю­миния и его сплавов в народном хозяйстве весьма важное значение приобрела проблема сварки этих материалов.
Несмотря на значительные успехи, достигнутые в этой области, следует отметить, что положительного решения этой проблемы до настоящего времени не найдено. С помощью существующих методов сварки не всегда удается удовлет­ворить высокие требования, предъявляемые к качеству сварных соединений. Поэтому возникла необходимость в исследовании возможности получения требуемых свойств металла шва при сварке алюминия и его сплавов путем регулирования металлургических процессов в реакционной зоне с помощью керамических флюсов. Для этой цели необ­ходимо было преодолеть ряд трудностей, связанных с осо­быми теплофизическими, химическими и другими свойст­вами алюминия.
Особенности сварки алюминия
Алюминий — химически активный металл, трехвалентный во всех стабильных химических соединениях. Имеет вы­сокое сродство к кислороду и соединяется с ним даже при нормальной температуре, образуя плотную и прочную окисную пленку А12O3, покрывающую поверхность металла и делающую его коррозионно-стойким, особенно в кислых средах. Пленка А12O3 имеет высокую температуру плавления пл - 2050° С), кипения кт = 3500° С) и плотность, большую, чем у расплавленного алюминия (3,85 г/см3) . При сварке окисная пленка может погружаться в металл шва, в результате чего существен­но ухудшаются его наиболее ценные свойства: кор­розионная стойкость, электропроводность. При этом снижаются некоторые механические свойства, могут обра­зоваться поры. В связи с тем, что наличие плен­ки А12O3 на поверхности свариваемого металла и электрод­ной проволоки неизбежно, то одной из наиболее важных и трудных задач, которые приходится решать при разработ­ке способа сварки алюминия, является очищение металла сварочной ванны от А12O3 и выведение ее в шлак .
 
Расплавленный алюминий и его сплавы взаимодействуют практически со всеми газами, составляющими атмосферу,— с кислородом, азотом, водородом, а также с Н20, СО, СO2 и другими. Наблюдается как химическое взаимодействие с образованием окислов, карбидов, нитридов и других сое­динений, так и активное растворение газов в алюминии.
Растворимость карбидов, нитридов, сульфидов и окис­лов в алюминии незначительна, они образуют неметал­лические включения в металле шва, существенно ухудша­ющие свойства последнего. Водород, хотя и не обра­зует химических соединений с алюминием, но активно в нем растворяется и обычно занимает более 75% в общем объеме поглощенных алюминием газов. Однако в окружаю­щем нас воздухе свободного водорода содержится сравни­тельно мало, и его наличием нельзя объяснить высокую сте­пень насыщения алюминия этим газом. Основным постав­щиком водорода в зону сварки являются водородосодержащие химические соединения, в том числе и вода, которая может находиться во флюсе, в защитных газах, в адсорбированном виде на поверхности свариваемого метал­ла или электродной проволоки и т. д. При сварке открытой дугой парциальное давление водорода в реакционной зоне существенно повышается за счет влажности окружающей атмосферы. Насыщение водородом алюминия, вероятно, про­ходит двумя путями: 1) в результате диссоциации паров воды в дуге и растворения атомарного водорода в металле капель или сварочной ванны; 2) в результате химическо­го взаимодействия расплавленного алюминия с парами воды:
 
2AI+ ЗН2O = А12O3 + 6Н.
При протекании этой реакции алюминий одновременно окис­ляется и насыщается водородом.
На основании приведенных выше кратких сведений о взаимодействии алюминия с газами окружающей атмосферы применительно к сварке алюминия можно сделать несколько принципиально важных замечаний:
 
1) все компоненты окружающей атмосферы в большей или меньшей мере оказывают отрицательное влияние на свойства металла шва;
2) для достижения высокого качества сварных соедине­ний из алюминия или его сплавов необходимо разработать такой метод сварки, при котором реакционная зона была бы защищена от проникновения в нее атмосферных газов;
3) желательно создавать в реакционной сварочной зоне атмосферу, состоящую из пассивных по отношению к алю­минию газов, не растворяющихся в нем;
4) целесообразно не только защищать в процессе свар­ки расплавленный металл от поглощения газов, но и произ­водить активную его металлургическую обработку.
В процессе кристаллизации и охлаждения до нормаль­ной температуры алюминий не претерпевает фазовых прев­ращений и сохраняет крупностолбчатую дендритную струк­туру с преимущественным расположением загрязнений по границам кристаллитов. Такая структура, как известно, способствует образованию кристаллизационных трещин, вероятность возникновения которых еще более усиливает­ся в связи с большим термическим коэффициентом объемной усадки, характерным для алюминия и его сплавов. Одной из радикальных мер, приводящих к повышению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин, является измельчение его первичной структуры путем модифицирования. Однако при использовании сущест­вующих методов сварки алюминия не всегда удается до­стигнуть этого эффекта (см.§ 5,гл. I).
Теплофизические и химические свойства алюминия таковы, что выбор технологического процесса сварки зна­чительно ограничен. Так, например, из-за низкой темпера­туры плавления = 658° С), высокой жидкотекучести, малой прочности металла при температурах, близких к Геол. сваривать алюминий толщиной более 8 мм можно толь­ко в нижнем положении и необходимо принимать меры для удержания расплавленного металла, чтобы исключить про­текание его. Вследствие высокой тепло и электропровод­ности алюминия необходимо применять для его сварки мощ­ные концентрированные источники тепла.
Основанием для разработки специального керамическо­го флюса и технологии механизированной сварки алюминия закрытой дугой послужила принципиальная возможность преодоления в этом случае указанных трудностей.
 
 
СВАРКА НИКЕЛЯ ПОД КЕРАМИЧЕСКИМ ФЛЮСОМ
 
 
Одним из примеров, иллюстрирующих более широкие тех­нологические возможности керамических флюсов в сравне­нии с плавлеными, является электродуговая сварка техни­чески чистого никеля.
В последние годы чистый никель и сплавы на его основе все более широко применяют в энергомашиностроении, авиации, ракетной технике, химической и многих других отраслях промышленности для изготовления конструк­ций, отвечающих повышенным требованиям в отношении жаропрочности, стойкости против разгара в различных агрессивных газовых средах, коррозионной стойкости при обычных и высоких температурах. Никель обладает высо­кими механическими свойствами при различных темпера­турах (от —250 до +1000° С).
До последнего времени для сварки никеля применяли следующие способы: аргонодуговую сварку плавящимся и неплавящимся электродами, ручную дуговую, а также газовую сварку [130; 133]. Несмотря на то что сварку никеля при использовании большинства перечисленных способов производят по усложненной технологии с дополнительными технологическими операциями, такими как предварительный подогрев, проковка швов и другие, вы­сокого качества сварных соединений достигнуть трудно. Металл шва часто получается с порами и трещинами. Проч­ность сварного соединения по сравнению с прочностью основного металла не превышает 80, а иногда и 60%. То же следует сказать и о коррозионной стойкости никеле­вых сварных соединений. Указанные обстоятельства сдер­живали применение никеля и его сплавов в сварных конст­рукциях.
Для создания надежного способа электродуговой сварки технически чистого никеля прежде всего необходимо было выяснить причины плохой его свариваемости, наметить пути металлургической обработки металла шва для предупреж­дения образования в нем дефектов, а также разработать материалы и технологию, при использовании которых мож­но осуществить необходимый цикл металлургических процессов.
 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИКЕЛЯ И ОСОБЕННОСТИ ЕГО СВАРКИ
 
По физическим и химическим свойствам никель во многих отношениях имеет сходство с железом. Последнее обстоя­тельство, по-видимому, явилось причиной неверного мнения о хорошей свариваемости никеля .
Накопленный за последние годы опыт изготовления свар­ных конструкций из технически чистого никеля показал, что при его сварке возникает целый ряд серьезных труднос­тей. Они связаны прежде всего с большой склонностью металла швов к образованию кристаллизационных трещин, со склонностью никелевых швов к образованию пор в про­цессе кристаллизации, а также со сложностью получения металла шва высокой чистоты, близкого по своим свойствам основному металлу, особенно в отношении коррозионной стойкости.
 
Образование кристаллизационных трещин при сварке никеля.
 
Форма и характер расположения трещин в сварных соединениях весьма разнообразны. Наиболее крупные из них выходят на поверхность швов и легко различимы нево­оруженным глазом. Особенностью трещин, возникающих при сварке никеля и многих никелевых сплавов, является то, что они располагаются по границам зерен, что свидетель­ствует об их кристаллизационном характере.
Механизм образования горячих трещин в сварных швах связан с двумя группами причин термодеформационного и металлургического характера. При сварке металл шва быстро нагревается до температур, превышающих темпера­туру плавления никеля, а затем более медленно охлаждается до температуры окружающей среды. В результате объемных изменений, связанных с нагревом и охлаждением, металл шва с начала его кристаллизации и формирования подверга­ется упруго-пластическим деформациям. В шве обычно воз­никают собственные напряжения, величина которых с из­менением температуры меняется и почти всегда достигает предела текучести металла для данной температуры.
Механические свойства металла шва в процессе его крис­таллизации и последующего охлаждения также сильно изме­няются. Нарушение сплошности металла и возникновение трещин при сварке, очевидно, будет возможным в том слу­чае, когда собственные напряжения в металле шва превысят значения предела текучести никеля для данной температуры,