Электродуговая сварка и наплавка под керамическими флюсами
Багрянский К.В.
Техника, 1976 г.
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 (Тпл- 2050° С), кипения (Ткт = 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 (Т = 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,