Справочник по сварке цветных металлов
Гуревич С.М.
Наукова думка, 1990 г.
5.2. Магний и его сплавы
Металлургические и технологические особенности сварки. Магниевые сплавы при сварке проявляют чрезвычайно высокую активность к окислению с образованием пленки оксидов. Значительная разница в температуреплавленияоксидамагния и магния (соответственно 2800 и 680 °С), а также большая плотность MgO, превышающая в 2 раза плотность металла, обусловливают несплавление кромок основного металла, препятствуют сплавлениюметалла с присадкой, приводят к попаданию оксидов в сварочную ванну.
В отличие от пленки на алюминиевых сплавахоксиднаяпленка на поверхности магниевых сплавов не защищает их от дальнейшего окисления. В связи с этим полуфабрикаты из магниевых сплавов покрывают защитной пленкой из солей хромовой кислоты, а также слоем смазки. Расплавленный металл защищают от окисления главным образом с помощью инертных газов. Газовая сварка с применением раскисляющего флюса или сварка обмазанными электродами для магния не дает достаточно стабильных результатов. В связи с этим такие способы сварки, как. угольными и металлическими электродами с покрытием, применяются редко, для малоответственных изделий.
При дуговой сварке магниевых сплавов в среде инертных газов разрушениеоксиднойпленки происходит в результате катодного распыления (при обратной полярности). Сварку магниевых сплавов неплавящимся электродом выполняют на переменном токе, поскольку при сварке на постоянном токе трудно получить хорошее формирование швов. Эффект катодного распыления проявляется в полупериоды обратной полярности.
Вследствие повышенной жидкотекучести расплавленного магния и практически полной потерипрочностиметалла при температуре твердожидкого состояния обязательным условием получения удовлетворительно сформированного шва является применение подкладок (из меди или нержавеющей стали). Как правило, швы выполняются с полным проплавлением кромок для удаления оксидныхпленок из металла шва. Для этой цели служат также канавки в подкладках.
Низкие значения теплотыплавления и удельной теплоемкостимагния обусловливают чрезвычайно большую концентрацию нагрева при сварке. Эта особенность наряду с низкой температуройплавлениямагния способствует локальным перегревам и прожогам металла. Для расплавлениямагния требуется теплоты приблизительно на 1/3 меньше, чем для равного по объемуалюминия [437]. Поэтому при сваркемагния применяют пониженные по сравнению с алюминием токи. Магний имеет сравнительно высокий коэффициент линейного расширения, вследствие чего сварные изделия из магниевых сплавов подвержены значительным деформациям [439].
Магниевые сплавы обладают меньшей склонностью к образованию пор в сварных швах, чем алюминиевые. Это связывают со значительно меньшей относительной разницей между растворимостьюводорода в жидком и твердом состояниях для магния, чем для алюминия [180]. Однако и для магниевых сплавов нередко следует принимать меры, направленные на повышение устойчивости швов против пористости.
При сварке магниевых сплавов приходится часто решать задачу предотвращения образования кристаллизационных трещин в металле шва. В наибольшей степени склонны к образованию трещин в швах сплавымагния с алюминием и цинком, кристаллизующиеся в сравнительно большом интервале температур. Склонность к возникновению кристаллизационных трещин обусловлена также возможностью образования легкоплавких эвтектик: Mg—Си (7^ == 485 °С); Mg—А1 (Тпл = 436 °С); Mg — Ni (Тпл= 508 °С) и др. При сварке магниевых
сплавов (например, системы Mg — Мп) необходимо учитывать их склонность к росту зерен и избегать в связи с этим чрезмерных перегревов в 3TB.
Подготовка к сварке. Она включает расконсервацию полуфабрикатов, вырезку элементов конструкции, разделку кромок и зачистку их под сборку и сварку.
При расконсервации с листов удаляют заводскую смазку скребками и щетками, а затем обезжиривают растворителями (бензин, уайт-спирит, ацетон, авиационная смывка). От моментарасконсервацииполуфабрикатов до их сварки период времени не должен превышать 20 суток.
Кромки под сварку зачищают механическим путем (щеткой, шабером, напильником) или химической обработкой — травлением. Травление целесообразно в условиях серийного производства сварных узлов (кроме сплава МАП). Рекомендуется следующий технологический процесс химической обработкиповерхностей деталей под сварку [180]: химическое обезжиривание при температуре 60—90 °С в течение 5—10 мин в водном растворесостава 20—30 г/л тринатрийфосфата [Na3P04 • 12Н20], 30—50 г/л кальцинированной соды (Na3C03), 20— 50 г/л едкого натра (NaOH), 3—5 г/л жидкого стекла; промывка в проточной горячей воде при температуре 50—60 °С в течение 0,5—1 мии; удаление защитного покрытия в ваине состава 200—300 г/л NaOH при температуре 70—80 °С в течение 10—15 мин; промывка в проточной горячей воде при температуре 50—60 °С в течение 0,5—1 мин; промывка в холодной воде; травление при комнатной температуре в течение 0,5—2 мин в ваине следующего состава: 150—200 г/л хромового ангидрида (Сг203), 25—35 г/л азотнокислого натрия (NaN03), 2—3 г/л фтористого кальция (CaF2) при комнатной температуре; промывка в холодной воде; сушка сжатым воздухом при температуре 60—90 °С.
Поверхность сварочной проволоки обрабатывают по приведенной выше технологии или в ванне, содержащей 180 г/л Сг203, при температуре 90 °С в течение 5 мин [349]. После травленияпроволоку необходимо хранить в сухом помещении (срок хранения не более 4 суток) или в специальной герметичной упаковке. В последнем случае срок хранения может быть значительно увеличен.
Дуговая сварка. Для магниевых сплавов применяют ручную и механизированную сварку вольфрамовым электродом и механизированную сварку трехфазной дугой неплавящимися электродами в средеаргона первого сорта. Значительно реже используют автоматическую сварку плавящимся электродом.
Сваркой вольфрамовым электродом встык без разделки кромок за один проход могут быть выполнены соединения из листов толщиной 2—б мм. сварка производится на переменном токе. В зависимости от толщины свариваемого металла принимают размерыканавки в подкладке из нержавеющей стали (ширина б—8 мм, глубина 0,8—2,0 мм). Сварку магниевых сплавов выполняют с наибольшей возможной скоростью при соответственно увеличенных сварочных токах (табл. 5.42) [180].
5.3. Бериллий
Металлургические и технологические особенности сварки.
Хрупкость бериллия и его высокая химическая активность по отношению к примесям-газам (кислороду, азоту н водороду) вызывают затруднения при сварке. Швы на бериллии весьма склонны к образованию пор, холодных н кристаллизационных трещин. Возникновение последних связывают с присутствием в металле алюминия, который образует с бериллием легкоплавкую эвтектику (Тпл = 644 °С). Снижение содержания алюминия в основном металле до 0,064 % позволяет повысить стойкость швов против возникновения кристаллизационных трещин. В качестве меры борьбы с трещинами в швах на бериллии применяют и предварительный подогрев основного металла до 260— 600 °С в зависимости от толщины металла и режима сварки [160, 43!).
Наличие на бериллиипленкиоксидов и образование ее в процессесварки на поверхностиванны жидкого металла также создает трудности. Для дуговой сваркибериллия в основном применяют переменный, гок, который вследствие эффекта катодного распыления позволяет разрушить пленку оксидов.
Расплавленный бериллий при высокой температуре вступает во взаимодействие со многими металлами с образованием интерметаллидов и твердых растворов. Поэтому сборочно-сварочные приспособления (подкладки, зажимы н др.) изготовляют из нержавеющей стали с нанесенным слоем оксидаалюминия толщиной 0,1 мм.
Дополнительные затруднения прн сварке создает большая склонность бериллия к росту зерен при нагревах. Поэтому сваркубериллияплавлением выполняют в узком интервале оптимальных режимов сварки, не приводящих к чрезмерному росту зерен в металле шва и околошовной зоне [440).
Подготовка к сварке. Детали из бериллия следует подготавливать к сварке так же тщательно, как из других легких металлов.
Для удаления оксидныхпленок перед сваркой в среде инертных газов рекомендуется травление деталей при комнатной температуре в растворе такого состава (по объему): 40 % HN03, 2 % HF, 58 % Н20. Время травления зависит от размеров детали [444]. Хорошие результаты получены прн травлении в растворе с объемным содержанием 40 % Н2Р03, 2 % HC1, 58 % Н20 [431]. После травления детали промывают в воде и сушат сжатым воздухом при температуре 60 °С.
6.2. Никель и его сплавы
Металлургические и технологические особенности сварки.
Сварка никеля и его сплавов затруднена вследствие особых физико-химических свойств, а также большой чувствительности к примесям, в первую очередь к растворенным газам. Растворимость газов 02, На и СО в расплавленном никеле значительна, при остывании ограниченна, что вызывает пористостьметалла шва, а также водородную болезнь. К резкомуохрупчиваниюметалла шва приводит образование эвтектики (Тпл = 1438 °С, содержание NiO 1,1 %), которая при кристаллизации шва располагается вокруг кристаллитов. В связи с этим к числу главных задач, возникающих при сварке никеля, особенно при сварке плавлением, относятся обеспечение надежной защиты зоны сварки от газов атмосферы, применение сварочных материалов высокой чистоты, а также раскисление и дегазация сварочной ванны. В качестве наиболее эффективных р аски ели теле й для никеля применяют алюминий и титан. При выборе оптимального составафлюсов исходят из возможностей раскисления сварочной ванны.
Затруднения при сваркеникеля обусловлены также большой склонностью металла шва к образованию кристаллизационных трещин. Значительное влияние на свойстваникеля и возникновение трещин в металле шва оказывают сера и фосфор, к которым Никель проявляет большое химическое сродство. Образующиеся на границах крупных кристаллитов легкоплавкие эвтектики типа Ni3S2 — Ni (7*пл = — 645 °С) и Ni3P — Ni (Тпл = 880 °Q ослабляют металл шва н приводят к возникновению кристаллизационных трещин. В связи с этим необходимо ограничивать содержание вредных примесей в основном металле (S > 0,001 %; Р > 0,005 % (14J), а также в сварочных материалах. Снижение вредного влияния серы достигается введением в шов марганца (например, при использовании сварочных проволок типа ИМц2,5 и НМц5, содержащих 2,5 и 5 % Мп соответственно). Для снижения роста кристаллитов шва сварку ведут на ограниченной погонной энергии, а в металл шва вводят модификаторы (титан, молибден, алюминий и др.).
При сваркеникеля следует учитывать также то, что металл обладает сравнительно низкими литейными свойствами. металл в сварочной ванне менее жидкотекуч, чем при сварке стали, основной металл проплавляется на меньшую глубину. Поэтому несколько увеличивают уголразделки кромок и уменьшают притупление.
Специфические физико-химические свойстваникеля особенно проявляются прн сваркесплавов на его основе. Например, широко распространенный сплавсистемы Ni — Си с добавками железа и марганца — монель-металл — имеет большие по сравнению с никелем линейную усадку, удельное электросопротивление и меньшую теплопроводность; сплавсистемы Ni — Сг — нихром — имеет большее электросопротивление и меньшую теплопроводность, склонен к образованию при сваркеплавлением тугоплавкой пленкиоксидахрома Сга03, затрудняющей формирование шва.
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ ЦВЕТНЫХМЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ
8.1. Металлургические особенности соединения разнородных металлов
Необходимость сваривать разнородные металлы, обладающие различными физико-химическими и прочностными свойствами, возникла в связи с развитием техники и потребностью наиболее полно использовать в машинах и аппаратах характерные особенности материалов. Эго дало бы возможность создавать экономически и технически эффективное промышленное оборудование, узлы и детали которого работали бы в оптимальных условиях, повысить его надежность и долговечность, улучшить качество выпускаемой продукции. Однако соединение разнородных МЕТАЛЛОВ различными способамисварки ограничено рядом металлургических и технологических трудностей.
Свариваемость разнородных МЕТАЛЛОВ определяется прежде всего сочетанием физико-химических свойств соединяемых МЕТАЛЛОВ и технологий сварки. Металлургические процессы при сварке разнородных МЕТАЛЛОВ более сложны и менее исследованы, чем процессысварки однородных металлов. Можно перечислить по крайней мере шесть основных условий, выполнение которых обеспечивает получение качественного сварного соединения:
1) свариваемые металлы должны образовывать непрерывный ряд твердых растворов;
9) металлы должны иметь близкие значения теплофизических характеристик (температура плавления, теплопроводность, коэффициент линейного расширения);
3) взаимное растворение свариваемых МЕТАЛЛОВ не должно приводить к резкому снижению пластичностиметалла шва;
4) в металле шва должны отсутствовать выделения хрупких фаз, которые могут появляться вследствие структурныхпревращений в процессе изготовления или в условиях эксплуатации сварного изделия;
5) необходимы оптимальные условиякристаллизацииметалла шва и формирования всего сварного соединения;
6) металлы не должны образовывать низкотемпературную эвтектику.
Имеется очень мало пар разнородных металлов, при сварке которых можно было бы полностью обеспечить выполнение перечисленных условий. В сварочной литературе чаще всего рассматривается условие образования непрерывных твердых растворов и недостаточно внимания уделяется остальным. Если же свариваемые металлы образуют непрерывный ряд твердых растворов, но при этом существенно отличаются по теплофизическим характеристикам, а также склонны к сильному взаимному твердорастворному упрочнению, то задача сварки таких металлов весьма сложна. При сварке разнородных ЦВЕТНЫХМЕТАЛЛОВ большое значение приобретает правильный выбор способа и технологии сварки. В этом большую помощь может оказать рассмотрение равновесных диаграмм состояния, которые позволяют анализировать превращения, протекающие в двух, трех и более компонентных металлических системах при плавке, кристаллизации, термической обработке и других технологических операциях. Хотя диаграммысостояния строят для условийравновесия или достаточно близким к ним, знать их при сварке разнородных МЕТАЛЛОВ необходимо. Они позволяют оценить фазовые превращения и условия их осуществления в данной металлической системе.
Наиболее часто встречающиеся типы диаграммсостояния в двойных металлических системах представлены на рис. 8.1. Самую сложную диаграмму всегда можно представить состоящей из нескольких простых имеющих характерное строение.
Из конструкционных МЕТАЛЛОВ только системы Си — Ni и Ti — V обладают неограниченной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии [193. 298]. Соединение меди с никелем можно производить сваркойплавлением без присадки или с присадкой меди, никеля, медно-никелевых сплавов, а также сваркойдавлением [298]. Титан с ванадием хотя и образуют непрерывный ряд твердых растворов, однако качественное сварное Соединение удается получить только при содержании ванадия в шве не более 20—30 %, когда при последующем нагреве не происходит образование a-фазы в металле шва [193]. Другими примерами комбинаций металлов, которые образуют непрерывные ряды твердых растворов, являются пары серебро — золото, нккель — платина, хром — молибден, кадмий — Магний и др. [298].
Большинство ЦВЕТНЫХМЕТАЛЛОВ образуют в двойных системах твердые растворы с ограниченной взаимной растворимостью. Возможны два вида диаграмм: с образованием эвтектики (рис. 8.1, б) и образованием перитектики (рис. 8.1, в). Если химические соединения отсутствуют, то между компонентами образуются смеси (эвтектические и перитектические), состоящие из кристаллов твердых растворов на основе этих компонентов. Различные смесикристаллов образуются между металлами как с одинаковыми, так и с разными по типу кристаллическими решетками, однако решетки таких МЕТАЛЛОВ заметно отличаются своими параметрами. Обычно между металлами, расположенными в одной подгруппе периодической системы элементов, химические соединения не образуются.
Очень часто между ограниченно растворимыми в твердом состоянииметаллами образуются различные химические соединения (рис. 8.1, г). Принято считать [111], что химические соединения образуются между элементами, которые стоят далеко друг от друга в периодической системе и сильно отличаются строением атомов и физико-химическими свойствами. Многие химические соединения характеризуются сложной кристаллической структурой. Их кристаллические решетки обычно относятся к другим типам, чем решетки исходных компонентов. В реальных диаграммахсостояний часто образуется не одно, а несколько химических соединений. сварка таких пар МЕТАЛЛОВ весьма сложна и требует применения как соответствующих способов сварки, так и специальных технологических мер.
При соединении разнородных МЕТАЛЛОВ решающее значение имеет правильный выбор способа сварки. Выбор способа может быть обусловлен как металлургической совместимостью металлов, так и конструкцией изделия.
При сваркеплавлением разнородных МЕТАЛЛОВ применяют основные способысварки — дуговую (под флюсом, в среде защитных газов), плазменную, ЭЛС, лазерную, и др. Сварное Соединение образуется в результате перемешивания в сварочной ванне жидких металлов. Задача соединения разнородных МЕТАЛЛОВ с обеспечением необходимых физико-химических свойствметалла шва и всего соединения в целом может быть решена технологически, путем применения таких способов и приемов, которые позволяют регулировать как долю основного металла в шве, так и тепловложение на каждой из кромок.
Для регулирования химического состава шва предложен способсварки с одновременной подачей в разделку нескольких проволок различного состава. Присадочные проволоки располагают параллельно Друг другу, причем крайние проволоки подают вплотную к свариваемым кромкам и перемещают параллельно им по мере заполнения разделки.
При дуговой сварке продолжительность теплового воздействия дуги на основной металл можно регулировать колебаниями дуги поперек шва с помощью специального вибратора поперечных колебаний. При ЭЛС распределение мощности луча между кромками осуществляется либо смещением оси источника нагрева, либо модуляцией его мощности при переходе с одной кромки на другую, либо сваркой двумя независимо действующими электронными лучами [401]. При этом мощности, приходящиеся на свариваемые кромки, можно раздельно дозировать и контролировать в широких пределах. Предложенный способ обеспечивает получение более качественного соединения между разнородными металлами.
При сварке металлов, образующих химические соединения или резко отличающихся температурой плавления, теплопроводностью, а также обладающих незначительной взаимной растворимостью…