Сварка и наплавка алюминия и его сплавов

Раздел ГРНТИ: Сварка
Зусии В.Я., Серенко В.А.
Рената, 2004 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Сварка и наплавка алюминия и его сплавов

 

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ И ПРОБЛЕМЫ СВАРКИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
1.1. Металлургические особенности сварки АЛЮМИНИЯ плавлением
Алюминий и его сплавы, благодаря своим физико-химическим свойствам, малому удельному весу, относительно высоким показателям механических свойств, хорошей коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, находят широкое применение при изготовлении летательных аппаратов, космической техники, железнодорожных цистерн, котлов, резервуаров для транспортировки и хранения различных жидкостей, труб для газо- и нефтепроводов, а также различной химической аппаратуры [1-3]. Для изготовления этих изделий преимущественно применяется листовой металл толщиной 3 40 мм, а в качестве одного из ведущих и прогрессивных процессов получения неразъемных соединений широко используется сварка плавлением [4-6].
При дуговой сварке АЛЮМИНИЯ жидкий металл сварочной ванны подвергается сложному процессу взаимодействия с газами и шлаками, который определяет после охлаждения и кристаллизации сварочной ванны плотность металла шва и его химический состав.
Обладая повышенной химической активностью, алюминий энергично взаимодействует с газами даже при ничтожно малых значениях их парциального давления.
Образующиеся химические соединения или растворы могут явиться причиной возникновения дефектов вметалле, пор, шлаковых включений и т.д. [8]. Поэтому для получения качественного металла необходима защита его от контакта с газами.
При контакте с кислородом или воздухом на поверхности АЛЮМИНИЯ образуется оксидная пленка толщиной 0,01-0,02 мм [9,10]. Температура плавления оксида АЛЮМИНИЯ в несколько раз превышает температуру плавления чистого металла и составляет 2323 К [11]. Отношение объема образующейся оксидной пленки к объему окислившегося металла составляет 1,24 [12, 13], и, согласно принципу Виллинг-Бедворта, алюминий защищен плотной оксидной пленкой от проникновения газов и дальнейшего окисления [14]. Оксид АЛЮМИНИЯ нерастворим ни в твердом, ни в жидком алюминии, поэтому, попадая в металл, нарушает его сплошность и снижает работоспособность конструкции [15].
При контакте с водой на поверхности АЛЮМИНИЯ образуется первоначально аморфная оксидная пленка толщиной 80-100 мкм.
Затем возникает кристаллический бемит, а потом кристаллический байерит. Состав, структура и свойства оксидов АЛЮМИНИЯ приведены в табл. 1.1 [9].
Оксидная пленка нерастворима в алюминии и, будучи тяжелее расплавленного металла, не может всплывать на поверхность жидкого АЛЮМИНИЯ и остается в нем при кристаллизации в виде включений. Это существенно нарушает сплошность металла и приводит к значительному снижению его герметичности, механических свойств и коррозионной стойкости [16, 17].
Поэтому при сварке АЛЮМИНИЯ одной из основных задач является удаление оксидной пленки из сварочной ванны. Это может быть достигнуто как при помощи флюсов, так и за счет явления "катодного распыления"
Обладая высокой химической активностью, алюминий восстанавливает большинство элементов из их оксидов, что приводит к увеличению концентрации примесей в металле. Согласно термодинамическим расчетам [18, 19, 20], нейтральными по отношению к алюминию могут быть галоидные соли щелочных и щелочноземельных металлов, имеющих большую по абсолютному значению убыль свободной энергии образования соединения, чем алюминий. Поэтому для плавки и сварки АЛЮМИНИЯ нашли применение флюсы, состоящие из хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов [13, 21].
В процессе сварки при нагреве АЛЮМИНИЯ в оксидной пленке появляются трещины, так как коэффициент теплового расширения Аl2O3почти в три раза меньше, чем у АЛЮМИНИЯ [13]. Жидкий флюс через образующиеся трещины в оксидной пленке проникает к металлу. В результате реакции жидкого АЛЮМИНИЯ с флюсом образуются газообразные субгалоиды [24, 25], которые способствуют отрыву и измельчению оксидной пленки. Волнообразное перемещение жидкого флюса в процессе сварки способствует переносу части оксидной пленки в шлак.
Разрушение оксидной пленки в сварочной ванне путем "катодного распыления" происходит при дуговой сварке в том случае, когда сварочная ванна является катодом. В результате бомбардировки катода тяжелыми положительными ионами оксидная пленка разрушается и оттесняется к краям ванны [13,16].
Оксидная пленка адсорбирует, главным образом, пары воды. Адсорбционная способность различна у различных модификаций оксида алюминия. Наибольшей гигроскопичностью отличается у -Al2O3, способная удерживать некоторое количество воды даже после прокаливания при Тж1163-1173 К[7].
Попадая в зону сварки, адсорбированная на поверхности оксидной пленки влага взаимодействует с жидким металлом, насыщая сварочную ванну водородом [7, 26].
Водород в алюминии присутствует в виде твердого раствора внедрения, заполняет усадочные раковины и поры в молекулярном состоянии, а также адсорбируется в виде воды на оксидной пленке, покрывающей поверхность металла [27]. Принципиально возможно образование гидрида алюминия. Однако это соединение неустойчивое и существенного влияния на качество металла не оказывает [28].