Сварка и наплавка алюминия и его сплавов

Сварка и наплавка алюминия и его сплавов

Зусии В.Я., Серенко В.А.

Рената, 2004 г.

 

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ И ПРОБЛЕМЫ СВАРКИАЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

1.1. Металлургические особенности сваркиАЛЮМИНИЯ 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 сваркаплавлением [4-6].

При дуговой сваркеАЛЮМИНИЯ жидкий металл сварочной ванны подвергается сложному процессу взаимодействия с газами и шлаками, который определяет после охлаждения и кристаллизации сварочной ванныплотностьметалла шва и его химический состав.

Обладая повышенной химической активностью, алюминийэнергично 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 поверхностиАЛЮМИНИЯ образуется оксиднаяпленка толщиной 0,01-0,02 мм [9,10]. ТемператураплавленияоксидаАЛЮМИНИЯ в несколько раз превышает температуруплавления чистого металла и составляет 2323 К [11]. Отношение объема образующейся оксиднойпленки к объему окислившегося металла составляет 1,24 [12, 13], и, согласно принципу Виллинг-Бедворта, алюминий защищен плотной оксиднойпленкой от проникновения газов и дальнейшего окисления [14]. ОксидАЛЮМИНИЯ 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 поверхностиАЛЮМИНИЯ образуется первоначально аморфная оксиднаяпленка толщиной 80-100 мкм.

Затем возникает кристаллический бемит, а потом кристаллический байерит. Состав, структура и свойстваоксидовАЛЮМИНИЯ 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 прикристаллизации в виде включений. Это существенно нарушает сплошность металла и приводит к значительному снижению его герметичности, механических свойств и коррозионной стойкости [16, 17].

Поэтому при сваркеАЛЮМИНИЯ одной из основных задач является удаление оксиднойпленки 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 сваркиАЛЮМИНИЯ нашли применение флюсы, состоящие из хлористых солей щелочных и щелочноземельных металлов [13, 21].

В процессесварки при нагреве АЛЮМИНИЯ в оксиднойпленке появляются трещины, так как коэффициент теплового расширения Аl2O3почти в три раза меньше, чем у АЛЮМИНИЯ [13]. Жидкий флюс через образующиеся трещины в оксиднойпленке проникает к металлу. В результате реакции жидкого АЛЮМИНИЯ с флюсом образуются газообразные субгалоиды [24, 25], которые способствуют отрыву и измельчениюоксидной пленки. Волнообразное перемещение жидкого флюса в процессесварки способствует переносу части оксиднойпленки в шлак.

Разрушение оксиднойпленки 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 оксиднаяпленка 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 поверхностиоксиднойпленки влага взаимодействует с жидким металлом, насыщая сварочную ваннуводородом [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 поверхностьметалла [27]. Принципиально возможно образование гидрида алюминия. Однако это соединение неустойчивое и существенного влияния на качество металла не оказывает [28].