Реферат: Особенности сварки алюминия
Введение
1.Особенности сварки алюминия и его сплавов, применяемые материалы
1.1. Удаление окисной пленки с поверхности свариваемого металла
1.2.Конструктивные и технологические особенности сварки алюминия и его сплавов
1.3.Материалы для сварки алюминия и его сплавов
2.Обзор наиболее распространенных способов сварки алюминия и его сплавов
2.1.Ручная дуговая сварка покрытыми электродами алюминия и его сплавов
2.2.Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочнойпроволоки
2.2.1.Сварка вольфрамовым электродом переменным симметричным током
2.2.2.Сварка вольфрамовым электродом переменным асимметричным током
2.2.3.Импульсная сварка вольфрамовым электродом
2.3.Плазменная сварка алюминия и его сплавов
2.4.Механизированная аргонодуговая сварка плавящимся электродом
2.4.1.Механизированная сварка плавящимся электродом
2.4.2.Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом
3.Оценка способов дуговой сварки алюминия и его сплавов
4. Техника безопасностии пожарные мероприятия при выполнении сварочных работ
Списоклитературы
Введение.
Алюминий и его сплавы играютважную роль в современной промышленности. Это обусловлено тем, что большинствопромышленных сплавов алюминия обладает рядом уникальных свойств: сочетаниевысоких механических свойств (высокая удельная прочность.В/.) и физических свойств (малая плотность ., высокая теплопроводность, которая в 3-3.5 раза выше, чем у стали).
В работе [1] приведены данные опотреблении алюминия и его сплавов в мире за 1998 год. />
Рис.1. Применение алюминия иего сплавов в 1998 году в разных частях мира
Основными областями примененияявляются транспорт (авиационная промышленность, кораблестроение,вагоностроение), строительство (металлоконструкции общего назначения) иупаковочная промышленность. />
Рис.2. Применение алюминия иего сплавов в промышленности
Большинство промышленныхсплавов представляют собой сложные металлургические системы. В качествеосновных легирующих элементов для алюминия используют магний, марганец, медь,кремний, цинк, реже никель, титан, бериллий, цирконий. Большинство легирующихэлементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости, атакже промежуточные фазы с алюминием и между собой (например, Mg2Si, CuAl2).Суммарное содержание легирующих элементов, как правило, не превышает 15%. алюминиямарганцем или магнием способствует повышению его прочности. Дополнительногоупрочнения, как и для технического алюминия, можно достичь нагартовкой(наклепом). Однако применение нагартованного металла в сварных конструкцияхменее удобно, чем использование ненагартованного или отожженного. Нагартованныйметалл, в особенности с повышенным содержанием легирующих примесей, труднеедеформировать при изготовлении заготовок под сварку. Кроме того, эффектнагартовки легко снимается сварочным нагревом. Временное сопротивление сплаваАМг6 в отожженном и нагартованном состояниях 320 и 380 МПа соответственно.
Максимальную прочностьтермически упрочняемых сплавов получают в результате закалки и последующегостарения. В закаленном и состаренном сплаве упрочнение обеспечиваетсяобразованием зон Гинье – Престона (зонное упрочнение) или мелкодисперсных фаз(фазовое упрочнение). Закалку сплава осуществляют погружением его в воду. Приэтом создается пересыщенный твердый раствор алюминия. При последующей выдержкена воздухе и комнатной температуре (естественное старение) или при температуре100 – 190°С (искусственное старение) прочность полуфабрикатов повышается в 22,5 раза. Временное сопротивление термически упрочняемых сплавов достигает 400– 500 МПа и более.
Чем меньше примесей валюминиевом сплаве, тем, как правило, выше его пластичность. Техническийалюминий, алюминиево-марганцевый и низколегированные сплавы с магнием вплоть доАМг5 легко деформируются в холодном состоянии. Образцы сплава АМг6 взависимости от толщины, содержания сопутствующих примесей могут быть изогнутына 100—180°. Термически упрочняемые сплавы допускают деформацию только взакаленном состоянии, а в состаренном состоянии изгибу не подлежат. Их можнодеформировать после небольшого нагрева (150 – 200°С).
В связи с тенденцией заменычерных металлов алюминием и его сплавами во многих отраслях техники,строительства и транспорта эту замену следует осуществлять с учетомтехнико-экономических преимуществ того или иного сплава перед сталью. Прииспользовании алюминиевых сплавов необходимо также учитывать их коррозионную стойкостьи свариваемость.
Коррозионная стойкость алюминияи его сплавов определяется наличием на поверхности изделий плотной окиснойпленки. Алюминий совершенно нетоксичен, чем определяется широкое применение егов пищевой промышленности. Он весьма стоек в окислительных средах. В связи сэтим его используют в сосудах для транспортировки и получения азотной кислоты ит.п. Как правило, чем меньше примесей в техническом металле, тем выше егокоррозионная стойкость. Алюминий и его сплавы совершенно непригодны для работыв щелочной среде.
Под свариваемостью понимаютсовокупность свойств, определяющих возможность получения сварных соединенийопределенного качества при данном способе сварки. Чем легче получаютсякачественные соединения, тем выше свариваемость сплава. Многогранное понятие«свариваемость» включает склонность сплавов к образованию трещин, пористости,механические свойства сварных соединений, коррозионную стойкость и пр. Присварке плавлением свариваемость зависит от химического состава сплава и егоструктуры, которая создается в результате металлургического передела слитка.Среди физико-химических характеристик металла наибольшее влияние насвариваемость оказывают наличие окисной пленки, химический состав,теплопроводность, температура плавления, плотность, коэффициентытеплопроводности и линейного расширения. Последнее приводит к тому, что уровеньдеформации алюминиевых сварных конструкций в 1.5-2 раза выше, чему аналогичных стальных конструкций.
Чтобы обеспечить алюминиевымсварным конструкциям требуемую форму и размеры, используют конструктивные итехнологические методы уменьшения сварочных деформаций. К числу этих методовотносят правильный выбор толщины свариваемых деталей, соответствующееконструирование сварного соединения при сварке разнотолщинных деталей,предварительный подогрев свариваемых поверхностей.
При сварке алюминия и егосплавов также существует такое понятие, как критический сварочный ток. Этот токопределяется рядом факторов, которые недостаточно изучены. Увеличение сварочноготока выше критического значения нарушает процесс формирования сварочного шва,его поверхность покрывается морщинистыми складками, а глубина проплавлениярезко уменьшается. Величина критического тока зависит от вида сварки, качествазащиты поверхности сварочной ванны инертным газом, состава этого газа, толщинысвариваемых элементов.
В настоящее время в Украиненаиболее распространена аргонодуговая сварка неплавящимся электродом алюминия иего сплавов на переменном токе. Этот метод не является оптимальным для всехвидов сварных соединений, т.к. имеет недостаточно высокую производительность.Механизированная сварка плавящимся электродом в среде аргона, например,обеспечивает в 4-5 раз большую производительность, но худшее удаление окисныхпленок. Это должно отрицательно сказываться на механических свойствах сварныхсоединений. Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом,которая мало применяется в Украине, устраняет этот недостаток, однако свойствасварных соединений изучены недостаточно. Появившиеся в последнее времясовременные источники питания, например, ВД-306ДК, использующие комбинированнуювольтамперную характеристику (ВАХ имеет ряд участков, каждый из которыхотвечает за определенную стадию массопереноса, включая формирование капли, ееотрыв от электрода и перенос в сварочную ванну), вообще не исследованы вобласти технологических свойств при сварке алюминия и его сплавов. Инверторныеисточники питания ввиду минимального распространения в Украине, также не имеютпрактического опыта промышленного применения в области сварки указанныхсоединений. Метод плазменной сварки алюминия известен более широко, но имеетраспространение в основном за рубежом.
Поэтому, тема настоящего обзораопределена необходимостью систематизации и обобщения основных технологическихпараметров сварки алюминия и его сплавов в свете достижений техники запоследние годы, рассмотрения влияния различных видов аппаратурного оформленияпроцесса сварки алюминия и его сплавов на свойства сварных соединений, экономическойцелесообразностью применения тех или иных методов сварки.
1. Особенности сваркиалюминия и его сплавов, применяемыематериалы.
Технология сварки алюминия иего сплавов достаточно многообразна, виды сварки перечислены выше и имеют рядособенностей. К числу основных особенностей сварки алюминия и его сплавов любымиз перечисленных методов относятся: необходимость удаления окисной пленки споверхности свариваемых изделий, тщательная подготовка под сварку,предварительный подогрев и др. В работе [2] приведены основные трудности сваркиалюминия и его сплавов. К ним относятся:
1. Наличие и возможностьобразования тугоплавкого окисла Al2O3 (Tпл = 2050ºС) с плотностью больше, чем у алюминия, затрудняетсплавление кромок соединения и способствует загрязнению металла шва частичкамиэтой пленки.
2. Резкое падение прочности привысоких температурах может привести к разрушению (проваливанию) твердогометалла нерасплавившейся части кромок под действием веса сварочной ванны. Всвязи с высокой жидкотекучестью, алюминий может вытекать через корень шва.
3. В связи с большой величинойкоэффициента линейного расширения [. = (21. 24.7)10-6 .С-1] и низким модулем упругости сплавимеет повышенную склонность к короблению. Уровень сварочных деформаций в 1.5-2раза выше, чем у аналогичных стальных конструкций.
4. Необходима самая тщательнаяхимическая очистка сварочной проволоки и механическая очистка и обезжириваниесвариваемых кромок. В связи с резким повышением растворимости газов в нагретомметалле и задержкой их в металле при его остывании возникает интенсивнаяпористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности ипластичности металла. Предварительный и сопутствующий подогрев замедляеткристаллизацию металла сварочной ванны, что способствует более полному удалениюгазов и снижению пористости.
5. Вследствие высокойтеплопроводности алюминия необходимо применение мощных источников теплоты. Сэтой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва дотемпературы 120-1500С или применение предварительного и сопутствующегоподогрева.
6. Металл шва склонен квозникновению трещин в связи с грубой столбчатой структурой металла шва ивыделением по границам зерен легкосплавных эвтектик, а также развитиемзначительных усадочных напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия(7%).
В настоящем разделе приводятсяосновы технологии сварки алюминия и его сплавов и применяемые сварочныематериалы.
1.1.Удаление окисной пленки с поверхности свариваемого металла.
В естественных условияхпроизводства и хранения алюминий покрывается слоем окиси, предохраняющим его откоррозии. На воздухе зачищенная поверхность сразу же покрывается новым слоемокиси, толщина которого восстанавливается практически в течение несколькихдней, надежно защищая металл от дальнейшего окисления. На рис.1.1 показанакинетическая зависимость окисления алюминия при 200ºС. />
Рис.1.1. Кинетическаязависимость окисления алюминия при 200ºС.
Окисная пленка на поверхностиалюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температуройплавления (20500ºС) она не растворяется в жидком металле в процессесварки. Попадая в ванну, она затрудняет сплавление между собой частиц металла иухудшает формирование шва.
Важной характеристикой окиснойпленки алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенностиводяной пар. Поэтому, окисная пленка является источником газов, растворяющихсяв металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различногорода.
Естественная защитная пленкаимеет значительную толщину и ее удаление в процессе сварки весьмазатруднительно. Поэтому поверхность соединяемых деталей и проволоки очищают отслоя окиси непосредственно перед сваркой и создают на ней искусственный слойокиси, который сохраняется достаточно тонким в течении 8-16 ч. Полученныйтонкий слой окиси алюминия сравнительно легко удаляется электрической дугой илис помощью флюса во время сварки.
Обработка поверхностисвариваемых деталей и проволоки производится следующим образом [3]. Сначалапроизводится механическая зачистка с помощью металлических щеток. Затемсвариваемые детали и проволока обезжириваются в водном растворе следующегосостава: 40-50 г/л тринатрийфосфата (Na3PO4. 12H2O), 35-50 г/лкальцинированной соды (Na2CO3) и 25-30 г/л жидкого стекла (Na2SiO3). Времяобезжиривания примерно 5 минут, температура раствора 60-700С. Далее свариваемыедетали и проволоку подвергают травлению в течении 1-3 мин в 5% растворе щелочиNaOH или KOH. После этого остатки щелочи и продукты реакции смывают сначалагорячей, а потом холодной водой. После промывки детали пассивируют 20% азотнойкислотой (HNO3), нагретой до температуры 600С. При этом детали покрываютсяновым тонким слоем окисной пленки. Извлеченные из азотной кислоты деталипромывают холодной, затем горячей водой и сушат.
Так как в атмосферных условияхтолщина образованной пленки, хотя и более медленно, но все же увеличивается,подготовленные к сварке детали необходимо сварить в течение 24 часов, асварочную проволоку использовать в течение 8 часов. Различие в сроке храненияподготовленных к сварке деталей и проволоки обусловлено тем, чтонепосредственно перед сваркой соединяемые кромки деталей дополнительно очищаютот окисных пленок механическим путем – проволочной щеткой, а затем шабером.Образовавшаяся после механической зачистки тончайшая пленка окиси легкоудаляется сварочной дугой, горящей в среде инертных газов. Весьма эффективнопроисходит удаление окиси с поверхности металла, имеющего отрицательныйпотенциал. Присутствующие в дуге положительные ионы инертных газов разгоняютсякатодным напряжением и ударяют в поверхностный слой окисной пленки. Процессобработки свариваемого металла положительными ионами называют катоднымраспылением. Результаты этого процесса остаются в виде беловатых полос посторонам шва.
Менее эффективно удаление окисиалюминия с поверхности свариваемого металла происходит, когда он имеетположительный потенциал. Окись алюминия в этом случае разрушается привзаимодействии с расплавленным алюминием. В результате образуется газообразныйсубокисел Al2O. Поскольку эта реакция возможна только при температурах свыше17000С, область очищенной поверхности практически ограничена анодным пятном.Естественно, для такого метода сварки применяются мощные горелки и высокие токидуги для обеспечения большой плотности теплового потока в области анодногопятна дуги. Такой метод удаления окисной пленки называется термическойочисткой. Поэтому, этот метод более эффективен при использовании в качествезащитного газа гелия, так как он наиболее высокоэнтальпийный газ и способствуетболее стабильному поддержанию дугового промежутка.
При ручной дуговой сваркепокрытыми электродами и автоматической дуговой сварке по слою флюсарасплавленный алюминий защищают от окружающей атмосферы флюсами из хлоридов ифторидов щелочных и щелочноземельных металлов, которые под действием дугирасплавляются и энергично реагируют с окисью алюминия, образуя комплексныесоединения, переходящие в шлак, либо летучие соединения. Так, например, прииспользовании флюсов состава 50% KCl; 15% NaCl; 35% Na3AlF2 происходитразрушение Al2O3 по реакции
Al2O3 + 6KCl = 2AlCl3ЃЄ + 3K2O и растворение Al2O3 в криолите Na3AlF2 с образованиемлегкоплавкого шлака (NaCl снижает температуру плавления криолита). Криолит нетолько растворяет Al2O3, но, изменяя поверхностное натяжение металла,способствует образованию мелкокапельного переноса электродного металла. Остаткифлюса и шлака, как правило, при комнатных температурах способствуют коррозииалюминия. Поэтому их остатки необходимо тщательно удалять с поверхностисваренных изделий, протирая загрязненные участки волосяными щетками в струегорячей воды или пара. Очищающее действие дуги зависит от глубины еепроникновения в соединяемый металл. Эту глубину регулируют, изменяя силу сварочноготока. Как правило, сварочный ток для сварки алюминия и его сплавов не превышает550-750А. Увеличение сварочного тока выше этих критических значений нарушаетпроцесс формирования шва.
При сварке плавлениемалюминиевых сплавов наиболее рациональным типом соединений являются стыковые.Для устранения окисных включений в металле швов используют удаляемые подкладкииз коррозионно-стойкой стали, других металлов с повышенной температуройплавления, а также меди, благодаря ее высокой теплопроводности. Используюттакже остающиеся подкладки из свариваемого алюминиевого сплава или разделкукромок с обратной стороны шва, что обеспечивает удаление окисных включений изстыка в канавку подкладки. />
Рис.1.2. Форма поперечногосечения канавки в подкладке,
формирующей обратную сторонустыкового шва:
а – прямоугольная; б –квадратная со скругленными кромками; в – квадратная, наклонная
Подкладка, формирующая обратнуюсторону стыкового шва, имеет канавку, различные формы которой представлены нарис.1.2. Чаще всего используют канавки прямоугольной формы (рис. 1.2, а),которые обеспечивают стабильные условия для формирования шва и удаления окисныхпленок при довольно значительных смещениях линии стыка и дуги от оси канавки.Канавка, поперечное сечение которой показано на рис.1.2 б, обеспечивает плавныйпереход от усиления шва к основному металлу. Но из-за малой ширины ее надоприменять вместе с дополнительной центрующей оснасткой. Для удаления окисныхпленок в стыковых соединениях с остающейся подкладкой, изготовленной как единоецелое со свариваемым элементом, используют прямоугольные и наклонные канавки(рис.1.2, в), которые просты в изготовлении. Кроме удаления окисных пленоктакая канавка уменьшает теплоотвод от сварочной ванны в сторону более толстогоэлемента замкового соединения. удаления окисных пленок из корня шва приодносторонней сварке стыковых соединений на подкладке с канавкой показан нарис.1.3. Канавка, как уже говорилось ранее, препятствует отводу теплоты отсвариваемых кромок в подкладку и способствует опусканию окисных пленок вместе срасплавленным металлом сварочной ванны в нижнюю часть сварного шва. />
Рис.1.3. Схема удаления окисныхпленок из корня шва при односторонней
сварке стыковых соединений наподкладке с канавкой:
1 – электрод; 2 – свариваемыйметалл; 3 – расплавленный металл сварочной ванны; 4 – окисные пленки наповерхности соединяемых кромок; 5 – подкладка с канавкой; 6 – металл шва.
Вероятность полного удаленияокисных пленок с торцевых поверхностей свариваемых кромок повышается сувеличением глубины канавки. В то же время слишком глубокая канавка требуетдополнительного расхода сварочной проволоки для ее заполнения, а чрезмерновысокий валик на обратной стороне шва будет способствовать концентрациинапряжений в зоне сплавления. На практике обычно применяют подкладки с глубинойканавки 1.2-2 мм. При правильно выбранном и стабильном режиме сварки такаяглубина канавки более чем в 1.5 раза превышает высоту оставшихся под дугойокисных пленок и обеспечивает их полное удаление в поверхностный слой нижнегоусиления шва. Канавка должна иметь достаточную ширину, чтобы обеспечитьнормальное прогибание окисных пленок на нижней поверхности состыкованных кромокв условиях возможного смещения стыка в процессе сварки.
1.2.Конструктивные и технологические особенности сварки алюминия.
Как было сказано выше, из-забольшого коэффициента теплопроводности и линейного расширения алюминия,существенно искажается форма, и изменяются размеры сварных конструкций изалюминиевых сплавов. Поэтому, необходимо использовать конструктивные итехнологические методы уменьшения сварочных деформаций вне зависимости отвыбранного вида сварки.
Конструктивные способыуменьшения деформаций и напряжений предусматриваются при проектированиисварного соединения. К ним относятся уменьшение количества сварных швов визделии, симметричное расположение ребер жесткости, швов, косынок. Дляуравновешивания деформаций припуски деталей на усадку должны быть равны усадкес тем, чтобы размеры конструкции после сварки соответствовали проектным.Необходимо предусматривать возможность использования зажимныхсборочно-сварочных приспособлений для предотвращения смещения свариваемыхкромок относительно друг друга в процессе сварки. Повышенная склонность кдеформации свариваемых соединений алюминия и его сплавов способствует появлениюв них горячих трещин. Особенно склонны к образованию горячих трещин стыковыешвы, близко расположенные друг к другу из-за пересечения зон термическоговлияния. Необходимо конструктивно располагать швы на максимально возможномудалении друг от друга. Если нельзя разнести швы, соединяемые элементыизготавливают как единое целое (рис.1.4). /> а) б)
Рис.1.4. Конструкция соединенияблизко расположенных патрубков с листом
а – не рекомендуемая; брекомендуемая
Отличительной чертой сваркиалюминия является то, что описанные выше конструктивные способы необходимоприменять в совокупности с описанными в предыдущем разделе методами удаленияокисной пленки из сварного соединения. Это наглядно иллюстрируется на примересоединения трубы с трубной доской (такие устройства широко применяются кактеплообменники в энергетике и представляют собой два круглых фланца спросверленными в них отверстиями, в которые вставлены теплообменные трубки). Нарис.1.5 показаны различные виды соединения трубы с трубной доской. />
Рис.1.5. Соединение трубы струбной доской
а) замковое; б) стыковое сканавкой, полученное гибкой; в) стыковое с канавкой, полученной резанием.
На рис.1.5 а показаносоединение трубы с трубной доской, где наклонная канавка выполняет две функции:первая функция – удаление окисных пленок, вторая функция – созданиеравнотолщинности сварного соединения (сварка выполняется по кольцу с торцевойверхней поверхности). На рис.1.5 б, в показан другой вид соединения, гдекольцевая канавка служит для удаления окисных пленок, а кольцевая проточка втрубной доске – для обеспечения равнотолщинности сварного соединения (сваркатакже выполняется с торцевой поверхности по кольцу). Вообще, в связи с низкойтемпературой плавления для алюминия проблема равнотолщинности очень актуальна.Это вызвано тем, что для высококачественного сварочного соединения необходимопроплавить обе сопрягаемые поверхности. Из-за низкой температуры плавленияболее тонкая деталь может просто расплавиться. Поэтому, свариваемые кромкиразнотолщинных элементов должны иметь одинаковую толщину. На рис.1.6 показаныварианты стыкового соединения разной толщины. /> а) б)
Рис.1.6. Стыковое соединениеметалла разной толщины
а – допускаемое; брекомендуемое
Для стыковых соединений ширинуутоненной части более массивного элемента можно ориентировочно определить по формуле[8] /> гдеS1, S2 – толщины свариваемых соединений, l – длина утоненной части.
Не менее важны технологическиемеры уменьшения деформаций. Необходимо подобрать оптимальный режим сварки, стем, чтобы зона термического влияния была минимальной. Для этого стремятсяиспользовать методы сварки, обеспечивающие высокую концентрацию энергии в дуге,а соединения сваривают на повышенных скоростях. На деформацию соединениясущественно влияет порядок выполнения швов. При выполнении швов большойпротяженности целесообразно использовать обратно-ступенчатый способ сварки.Сварку конструкций, имеющих несколько последовательно расположенных швов,целесообразно начинать со среднего шва, а затем поочередно, с каждой стороны,выполнять остальные швы, двигаясь к краям конструкции. Также необходимоучитывать, что соединения со скосом кромок более склонны к деформации, чем безскоса кромок и соединения с симметричной двусторонней разделкой кромок менеесклонны к деформациям, чем с односторонней разделкой кромок. Для предотвращенияпродольного прогиба соединений применяют предварительный обратный выгибсвариваемых элементов, который подбирают опытным путем.
Для устранения остаточныхдеформаций применяют ударную и тепловую правку. Чтобы не повредить поверхность,алюминиевые соединения правят ударами резиновых и деревянных молотков. Правкустальными молотками можно выполнять только через алюминиевые или деревянныеподкладки. Тепловую правку применяют для тех алюминиевых соединений,работоспособность которых не ухудшается сопровождающим нагрев разупрочнением,например, при правке малонагруженных элементов или конструкций из отожженногометалла. Максимальная температура подогрева должна быть не выше температурыотжига для применяемого алюминиевого сплава.
К числу технологическихособенностей сварки алюминия необходимо отнести и предварительный подогрев. Онимеет важное значение в виду того, что окисная пленка на поверхностисвариваемых алюминиевых металлоконструкций прекрасно адсорбирует влагу инеобходимо применять меры по удалению этой влаги. Если этого не делать, то всварном соединении могут возникнуть дефекты. Поэтому, свариваемые кромки передсваркой подогревают, используя газовые горелки (восстановительное пламя),горячий воздух или электроконтактные нагреватели.
Температура и время подогревазависят от марки и толщины свариваемого металла (табл.1.1). Температуруконтролируют с помощью контактных термопар или термокарандашей.
Таблица 1.1
Максимальная температураподогрева некоторых алюминиевых сплавов. [8]
Сплав Толщина металла, мм Температура, 0С Продолжительность нагрева, мин А99, АД1 Любая 350 60 АМц Любая 250 60 АМг3, АМг4, АМг5 < 12 > 12 100 150 30 10 АД31, АД33, АВ < 12 > 12 180 200 60 30 1915 < 12 > 12 140 160 30 20
1.3.Материалы для сварки алюминия и его сплавов.
Сварочнаяпроволока. При дуговой сваркебольшинства соединений требуется проволока, металл которой заполняет зазоры, атакже обеспечивает формирование шва в соответствии с размерами, установленнымиГОСТ 14806-80. Кроме того, проволока позволяет изменять состав шва, чтоособенно важно при сварке различных алюминиевых сплавов. Требуемый длялегирования состав проволоки выбирают с учетом химического состава свариваемыхкромок и доли участия проволоки в образовании шва. Для дуговой сварки винертных газах содержание каждого элемента в проволоке можно рассчитать изуравнения [8] />
где СП – расчетное содержаниеэлемента в проволоке; С0 – содержание элемента в свариваемом металле; СШ –содержание элемента в металле шва; kY – суммарный коэффициент усвоения элементаметаллом шва при сварке;.П – доляпроволоки в металле шва.
Доля проволоки в металле швазависит от типа соединения, толщины свариваемых кромок, формы и размеров шва,зазоров.
Под действием высокихтемператур часть легирующих элементов улетучивается с поверхностирасплавленного металла сварочной ванны и электродной проволоки. Эти потериучитывает суммарный коэффициент усвоения элемента металлом шва, которыйучитывает, какое количество данного элемента перешло в шов. Величина потерьзависит от способа и режима сварки, физико-химических свойств элемента и егосодержания в проволоке. Обычно коэффициент усвоения kY определяютэкспериментальным путем, сравнивая фактическое содержание элемента в шва с расчетным.
Определенный по уравнениюсостав проволоки чаще всего не совпадает с составом проволок, выпускаемыхпромышленностью. В связи с этим для сварки подбирают ту марку проволоки, укоторой состав наиболее соответствует расчетному.
С введением легирующихэлементов прочность металла шва повышается, а пластичность и коррозионнаястойкость снижаются. Для большинства алюминиевых сплавов суммарное содержание вшве или зоне сплавления 5-8% легирующих элементов достаточно, чтобы по границамзерен образовался сплошной ободок из вторичных фаз. При такой структуредальнейшее легирование не только не увеличивает, а даже несколько снижаетпрочность в результате концентрации напряжений по малопластичным вторичнымфазам. Таким образом, для получения пластичных коррозионно-стойких соединенийалюминиевые сплавы целесообразно сваривать менее легированными проволоками.Когда требуются сварные соединения повышенной прочности, наоборот, применяютболее легированные проволоки с суммарным содержанием легирующих элементов не выше6 –7%.
Наличие максимуматрещинообразования при сварке алюминиевых сплавов в каждой системе легированияопределяет выбор проволоки, способной обеспечить соединениям повышеннуюстойкость против трещин. Чтобы повысить стойкость соединений против образованиягорячих трещин, при сварке сплавов менее легированных, чем сплав с максимальнымпоказателем трещинообразования, применяют проволоку с пониженным содержаниемлегирующих элементов, тогда как более легированные сплавы сваривают проволокамис более высоким содержанием легирующих элементов.
В зависимости от предъявляемыхк соединениям требований, для сварки каждого из алюминиевых сплавов обычноприменяют несколько марок проволок. Наиболее простым подходом являетсяприменение универсальной проволоки, которая обеспечивает сварным соединениямдостаточно высокие значения всех основных характеристик: стойкость против горячих трещин,прочность, пластичность и коррозионную стойкость. Остальные рекомендованныепроволоки обеспечивают соединениям повышенные значения одной из названныххарактеристик при удовлетворительных значениях всех остальных (табл. 1.2.).
Таблица1.2.
Рекомендуемые марки проволокдля сварки распространенных алюминиевых сплавов.
Свариваемый Металл Универсальная проволока, обеспечивающая удовлетворит. характеристики соединения Проволока, обеспечивающая удовлетворительные характеристики соединения и повышенные показатели Стойкость против горячих трещин Временное сопротивление разрыву Относительное удлинение Коррозион. стойкостьА99, А97, А95 А99 А99 СвА85Т А99 А99 АД0, АД1 СвА5 СвА5 СвА5 СвА97 СвА97 Амц СвАМц СвАМц СвАМц СвАМц СвАМц АМг3 СвАМг3 СвАМг5 СвАМг5 АВч АВч АМг5 СвАМг5 СвАМг63 СвАМг6 СвАМг5 Св1557 АМг6 СвАМг6 СвАМг63 СвАМг61 СвАМг63 Св1557 АВ, АД31, АД33 СвАК5 СвАК5 Св1557 Св1557 АВч 1915 Св1557 СвАМг5 СвАМг6 СвАМг5 Св1557 Прим. Проволоку с обозначением «Св» поставляют по ГОСТ 7871-75, остальную по ТУ /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Проволока может применяться вдвух назначениях:
как электродная проволока приполуавтоматической или автоматической сварке в защитных газах (в шведскомстандарте называется «Autrod»)
как присадочный материал приаргонодуговой сварке неплавящимся электродом (в шведском стандарте называется«Tigrod»)
Применяют также импортнуюсварочную проволоку фирмы «ESAB» (Швеция), (табл.1.3).
Таблица1.3
Рекомендуемые марки проволокфирмы «ESAB» для сварки распространенных алюминиевых сплавов [4].
Свариваемый металл Марка проволоки Чистый алюминий А995 OK Autrod 18.01 (состав проволоки Al99,5) Чистый алюминий A995 OK Autrod 18.11 (состав проволоки Al99,5Ti) Силумин, с содержанием Si до 7% OK Autrod 18.04 (состав проволоки AlSi5) Сплав АМг3 (до 3%Mg) OK Autrod 18.13 (состав проволоки AlMg3) Сплав АМг5 (до 5%Mg) OK Autrod 18.15 (состав проволоки AlMg5) Сплавы АМг4, АМг5 OK Autrod 18.16 (состав проволоки AlMg4,5Mn)
2.Обзор наиболее распространенныхспособов сварки алюминия и его сплавов.
Дляалюминия и его сплавов применяют практически все промышленные способы сваркиплавлением. К основным методам сварки относятся: ручная дуговая сваркапокрытыми электродами (ММА), аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовымэлектродом с подачей присадочной проволоки (ТIG), плазменная сварка,полуавтоматическая сварка в защитном газе – бывает как минимум четырехразновидностей (импульсная полуавтоматическая сварка, традиционнаяполуавтоматическая сварка, полуавтоматическая сварка с управляемыммассопереносом на инверторном источнике питания, полуавтоматическая сварка наисточниках питания типа ВД-306ДК с комбинированной вольтампернойхарактеристикой). Другие виды сварки алюминия и его сплавов, такие какавтоматическая сварка под слоем флюса и газовая сварка применяются значительнореже и рассматриваться не будут. Каждый способ сварки имеет свои особенности,которые необходимо учитывать для наиболее эффективного их использования приизготовлении изделий различного назначения.
2.1. Ручная дуговая сварка покрытымиэлектродами алюминия и его сплавов.
Ручнуюдуговую сварку покрытыми электродами применяют при изготовлении конструкций изтехнического алюминия, сплавов АМц и АМг, содержащих до 5 % магния, а такжесилумина. Толщина свариваемого металла лимитируется диаметром электрода.Минимальный диаметр электрода обычно составляет 4 мм, что вызвано трудностямисварки электродами малого сечения вследствие высокой скорости их плавления.Алюминиевый электрод расплавляется в 2-3 раза быстрее стального. В связи с этимтолщина свариваемого металла должна быть свыше 4 мм.
Наиболееприемлемым типом сварного соединения для алюминия является стыковое. Соединенийвнахлестку и тавровых избегают, так как возможно затекание шлака в зазоры, изкоторых его трудно удалить при промывке после сварки. Наличие шлака в зазореможет вызвать коррозию металла. Поэтому, этот метод сварки алюминия наиболеередко применяется в промышленности. Отличие от ручной дуговой сварки стальныхметаллоконструкций заключается в том, что алюминий имеет значительно болеевысокую теплопроводность, чем сталь (см. п.1). Это приводит к тому, что шлакпри ручной дуговой сварке не успевает, в ряде случаев, удаляться израсплавленного металла сварного соединения ввиду малого времени нахождениясварочной ванны в расплавленном состоянии и остается в соединении в видедефектов.
Защитные(инертные) газы. Длязащиты расплавленного металла сварочной ванны и проволоки при сварке алюминия иего сплавов применяются инертные газы и их смеси: аргон высшего или первого сорта по ГОСТ 10157 –79 и гелий особойили высокой чистоты по ГОСТ20461-75. Инертныегазы аргон и гелий поставляются в баллонах.
Вольфрамовыеэлектроды. Вольфрам– самый тугоплавкий из известных металлов (по температуре плавления он уступаеттолько углероду). Температура плавления вольфрама равна 36000С, удельный вес19,3 г/см3, он обладает весьма малой летучестью при высоких температурах иимеет низкий коэффициент теплопроводности. Вольфрамовые электродыизготавливаются по ГОСТ 23949-80. Они различаются по легированию, котороеуменьшает работу выхода электронов и соответственно срок службы электродов.Электроды бывают чистые (ЭВЧ), лантанированные(ЭВЛ), иттрированные (ЭВИ),торированные (ЭВТ). Характеристики наиболее распространенных электродов в табл.1.5.
Таблица 1.5
Характеристики наиболеераспространенных электродов [8]
Марка электрода Содержание примесей, мас. % Диаметр прутка или проволоки, мм ЭВЧ 0,5; 1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0 ЭВЛ (1,1-1,4) окиси лантана (LaO) 1,0; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0 ЭВИ-1 (1,5-2,3) окиси иттрия (Y2O3) 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0 ЭВИ-2 (2,0-3,0) окиси иттрия (Y2O3) 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0 ЭВИ-3 (2,5-3,5) окиси иттрия (Y2O3) 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0 ЭВТ-15 (1,5-2,0) двуокиси тория(ThO2) 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0;10,0
Электроды,применяемые при аргонодуговой сварке необходимо затачивать. Это повышаетстабильность работы аргонодуговой установки и качество сварного соединения.
Покрытые электроды. Для сварки алюминия и его сплавовприменяют следующие наиболее распространенные марки покрытых электродов,производства России и других стран [4,5]:
ЭлектродСвариваемый сплав
ОЗА 1 Техническийалюминий
ОК 96.10 («ESAB»)Технический алюминий
ОЗА2 Литой сплавтипа АЛ-4
ОК 95.50 («ESAB»)Литой сплав типа АЛ-4
МВТУ Сплавы типаАМц
АФ1 Сплавы типаАМг, АМц
ОК 96.20 («ESAB»)Сплавы типа АМг, АМц
А1Ф Сплавы типаАМц, силумин
Состав электродныхпокрытий для сварки алюминия и его сплавов для некоторых из перечисленных марокэлектродов приведен в табл. 1.6.
Таблица 1.6
Состав некоторых электродных покрытий длясварки алюминия и его сплавов,мас. % [5]
Компонент Марки покрытия ОЗА1 ОЗА 2 МВТУ АФ1 А1Ф Хлористый натрий 18,2 30 18,0 Хлористый калий 32,5 50 20,0 32,0 Хлористый литий 9,1 24,0 9,0 Фтористый калий 39,0 Криолит 35,0 20 35,0 33,0 Фтористый натрий 5,2 17,0 5,0 Ферросилиций 3,0 Флюс АФ-4А 65,0 /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
С течением временипри хранении электроды увлажняются, поэтому перед сваркой их необходимоподсушить при температуре 150 – 200 0С.
Сварочные флюсы. Дляполуавтоматической сварки под слоем флюса применяют флюсы АН-А1, АН-А4,48-АФ-1, МАТИ-1а, МАТИ-10.Состав флюсов в табл. 1.7.
Таблица 1.7
Состав флюсов для сварки алюминия и егосплавов, мас.% [5]
Компонент Марка флюса АН-А1 АН-А4 48-АФ-1 МАТИ-1а МАТИ-10 Хлористый натрий 20,0 Хлористый калий 50,0 57,0 47,0 47,0 30,0 Хлористый литий 8,0 Фтористый барий 28,0 47,0 68,0 Фтористый натрий 42,0 Фтористый калий 2,0 Фтористый литий 7,5 Фтористый алюминий 7,5 2,0 Криолит 30 3,0 Фторцирконат калия 2,0 Окись хрома 2,0 /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Флюс долженхраниться в герметически закрываемой таре, а перед употреблением просушиватьсяпри температуре 200 – 250 0С в течении 2 часов.
Наиболееприемлемым типом сварного соединения для алюминия является стыковое. Соединенийвнахлестку и тавровых избегают, так как возможно затекание шлака в зазоры, изкоторых его трудно удалить при промывке после сварки. Наличие шлака в зазореможет вызвать коррозию металла. Поэтому, этот метод сварки алюминия наиболеередко применяется в промышленности. Отличие от ручной дуговой сварки стальныхметаллоконструкций заключается в том, что алюминий имеет значительно болеевысокую теплопроводность, чем сталь (см. п.1). Это приводит к тому, что шлакпри ручной дуговой сварке не успевает, в ряде случаев, удаляться израсплавленного металла сварного соединения ввиду малого времени нахождения сварочнойванны в расплавленном состоянии
и остается всоединении в виде дефектов.
2.2. Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовымэлектродом с подачей присадочной проволоки (ТIG).
Аргонодуговая сварка неплавящимсявольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки (ТИГ) наиболеераспространенный способ сварки, применяющийся для изготовления сварныхконструкций из алюминиевых сплавов ответственного назначения. Основнымпреимуществом процесса дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде защитногогаза является отсутствие шлаковых включений, возможность работы на малых токахдуги (от 5А), возможность сварки тонких листов, включая фольгу, высокаяустойчивость горения дуги во всем диапазоне токов, технологичность процесса.Благодаря этому процесс широко используется при сварке алюминия и его сплавов.
2.2.1. Сварка вольфрамовым электродом переменным
симметричным током.
Питание дуги осуществляется переменным токомот источников с падающими внешними характеристиками. Существует справедливоемнение, что аргонодуговую сварку необходимо производить на штыковых иликрутопадающих внешних вольт-амперных характеристиках. Это обусловлено тем, чтов указанном случае минимален пусковой бросок тока, что резко улучшает свойствасварного соединения. Переменный ток дуги при сварке алюминия обеспечиваетразрушение окисной пленки. Для повышения стабильности горения электрическойдуги и эффективного разрушения окисной пленки, кроме падающей внешнейхарактеристики источника и постоянной работы осциллятора используют дополнительнуюиндуктивность (дроссель) в цепи дуги (обеспечивает дополнительную ЭДСсамоиндукции и не позволяет погаснуть электрической дуге). Осцилляторывыполняют две функции – бесконтактное зажигание электрической дуги истабилизацию сварочного тока в момент прохождения через ноль специальнымистабилизаторами, синхронизированными со сварочным током и включенными, какправило, параллельно электрической дуге. Последние устройства обычно совмещаютс осцилляторами. Электрическая дуга горит между изделием и неплавящимсявольфрамовым электродом. Для повышения стабильности горения электрической дугирекомендуется тщательно затачивать конец вольфрамового электрода.Симметричность тока обеспечивает равную проплавляющую и очищающую способностьэлектрической дуги. Это самый простой и распространенный способ аргонодуговойсварки.
2.2.2. Сварка вольфрамовым электродом переменным
асимметричным током.
По сравнению с аргонодуговой сваркойнеплавящимся электродом симметричным током, сварка асимметричным током алюминиевыхсплавов расширяет технологические возможности за счет регулирования параметровтока прямой и обратной полярности. Как правило, регулировка асимметричностиосуществляется в пределах 30% от амплитудного значения параметра. Преобладаниесоставляющей тока прямой полярности приводит к увеличению глубины проплавленияи скорости сварки, а также к повышению стойкости вольфрамового электрода.Преобладание тока обратной полярности улучшает очистку свариваемого металла отокисной пленки и улучшает качество формирования шва. Выбор правильного режимасварки в этом случае является задачей технолога.
Для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся вольфрамовымэлектродом переменным асимметричным током используются установки УДГУ-351АС/DCи УДГУ-501AC/DC.
2.2.3. Импульсная сварка вольфрамовым электродом.
В ряде случаев целесообразно использоватьсварку вольфрамовым электродом импульсной дугой. Подача импульсовосуществляется, как правило, с частотой до 50 или свыше 100Гц и эти импульсынакладываются на базовое напряжение на дуге. Импульсы имеют остроугольную илипрямоугольную форму и служат для улучшения формирования сварного шва (причастоте следования 1-50 Гц) и для улучшения удаления окисной пленки (причастоте следования более 100 Гц). Наиболее часто такие импульсы применяются присварке тонколистового металла. Для сварки в импульсном режиме выпускаютсяприставки к установкам УДГУ-351АС/DC и УДГУ-501AC/DC (типа ППС-01 -пультпульсирующей сварки). Пульт пульсирующей сварки ППС-01 позволяет
регулировать максимальное и минимальноезначения импульсов тока, а также их продолжительность. В стандартном исполнениион позволяет регулировать частоту следования импульсов до 10 Гц, по спецзаказу-до 30Гц. Это обеспечивает снижение вероятности прожогов свариваемого металла иулучшает формирование сварного соединения.
2.3. Плазменная сварка.
Плазменнаясварка является дальнейшим развитием и усовершенствованием аргонодуговой сваркивольфрамовым неплавящимся электродом. Плазменная сварка – это сварка плавлением,при которой нагрев производится сжатой дугой. Сжатая дуга – это дуга, столбкоторой сжат с помощью сопла плазменной горелки, потока газа или внешнегоэлектромагнитного поля. Промышленное развитие получили сварочные плазменныегорелки, где стабилизация и сжатие дуги осуществляется с помощью соплаплазменной горелки и потока плазмообразующего газа.
При свободном горении дугитемпература столба достигает 5000-6000К и столб дуги имеет форму усеченногоконуса (рис.2.2, а). При ограничении возможности свободного расширения дугитемпература ее возрастает. Кроме того, при сжатии столб дуги принимаетпрактически цилиндрическую форму (рис.2.2, б), стабилизируется анодное пятно наизделии, тепловой поток становится более сосредоточенным, глубина проплавлениявозрастает, снижается нагрев основного металла, прилегающего к шву.
/>
Рис.2.2. Схемысопловых частей аргонодуговой (а) и плазменной (б) горелок
Сжимающее дугу сопло, через которое проходит плазма, имеетдва важных размера – диаметр выходного отверстия dc и длину lc. Расстояние,на котором установлен электрод от выходного отверстия сопла, называетсяуглублением электрода ly,а расстояние между внешней поверхностью (торцом) сопла и свариваемым изделием –рабочим расстоянием Н.Рекомендуется длину цилиндрической части сопла lc выполнять в диапазоне 0.5-2 dc . Соотношение lc/ dc носитьназвание калибра и является важной характеристикой сварочной плазменнойгорелки, так как определяет давление сжатой дуги на сварочную ванну ивозможность возникновения аварийного режима работы горелки – двойногодугообразования (дуга горит между электродом и соплом, соплом и изделием). Чемменьше длина цилиндрической части сопла, тем меньше вероятность возникновенияэтого аварийного режима.
По сравнению с аргонодуговой сваркой неплавящимсявольфрамовым электродом плазменная сварка имеет следующие преимущества:
• Меньшеевлияние возможного изменения расстояния от торца сопла до изделия нагеометрические размеры зоны проплавления;
• Меньшее влияниеизменения тока на форму дуги, а, следовательно, и на стабильность проплавленияметалла;
• Высокаянадежность зажигания дуги благодаря дежурной дуге;
• Отсутствиевключений вольфрама в сварном соединении;
• Повышеннаяскорость сварки;
• Меньшеетепловложение и, следовательно, коробление изделий.
Если принятьодинаковую скорость сварки, то при плазменной сварке необходим ток в два разаменьший по сравнению с аргонодуговой сваркой, сварные швы более узкие и суменьшенной зоной термического влияния, благодаря чему уменьшается деформацияконструкций. Недостатком плазменной сварки является то, что применяютсяводоохлаждаемые плазменные горелки и значительно усложняется и удорожаетсяоборудование.
Плазменная сваркаалюминия и его сплавов в связи с необходимостью разрушения и удаления окиснойпленки выполняется сжатой дугой постоянного тока обратной полярности. Электродв такой горелке служит анодом. В табл. 2.4 приведены рекомендуемые значениядопустимого сварочного тока прямой и обратной полярности для вольфрамовыхэлектродов различных марок и диаметров.
Таблица 2.4.
Допустимыезначения постоянного тока прямой и обратной полярности для электродов различных марок [8]
Диаметр электрода, мм Максимальный сварочный ток (А) для вольфрамовых электродов при полярности ЭВЧ ЭВЛ ЭВТ-15 ЭВИ-3 прямой обратной прямой обратной прямой обратной прямой обратной 2,0 50-90 20-25 110-150 30- 35 140-180 35-40 160-200 40-50 3,0 160-200 30-35 240-280 40-45 300-340 45-50 320-360 50-70 4,0 320-370 40-50 470-520 50-60 530-580 60-70 600-660 70-80 5,0 570-600 50-70 680-740 60-80 770-830 70-90 860-920 80-110 6,0 70-90 80-110 90-120 100-130 8,0 110-140 120-160 140-180 160-200 10,0 160-210 170-220 200-250 220-270 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Как следует изтабл. 2.4, при переходе на обратную полярность происходит многократное снижениедопустимого тока. Поэтому, наиболее разумным решением является использованиемедных сферических водоохлаждаемых анодов. Это обеспечивает возможностьизменения сварочного тока в широких пределах (до 300А) при сохранении высокой(более 10 часов) продолжительности работы. Работы в этом направлении, какотмечалось выше, проводит ЗАО НПФ «ИТС» и ВАТТ МО РФ, г. С-Петербург.
Процессвозбуждения дуги в установках обычно происходит следующим образом:
• С помощьювысокочастотного высоковольтного напряжения осциллятора в промежутке электрод –сопло возбуждается искровой разряд, который затем переходит в дуговой (подвоздействием электрического поля источника питания), т.е. возбуждается такназываемая дежурная дуга постоянного тока, горящая между электродом и соплом.
• Потокомплазмообразующего газа катодное пятно дежурной дуги перемещается с внутреннейконической поверхности сопла на его цилиндрическую поверхность, одновременно сэтим дежурная дуга растягивается и плазменная струя длиной 20-40 мм истекает изсопла.
• При касаниифакела дежурной дуги изделия замыкается цепь электрод – изделие и возникаетосновная дуга, ток дежурной дуги снижается до нуля.
Для плазменнойсварки алюминия применяют установки типа УПС-301 (токи до 300А) и УПС-501 (токидо 500А). В последнее время наиболее часто применяют источник питания ВД-306ДКили ВД-506ДК и приставку БУСП-ТИГ для аргонодуговой сварки, которая служит дляподключения плазменной горелки, регулировки тока дежурной дуги, базового тока,скорости нарастания-снижения базового тока, времени продувки до и после сваркии времени горения дежурной дуги после выключения основной сварочной дуги.
В качествеплазменной горелки часто применяли плазмотрон типа ПС-3, конструкция которогодопускает использование медного или вольфрамового электродов. Плазмотронразработан СПбГТУ, выпускался заводом «Электрик». В настоящее время наибольшийинтерес вызывает псевдоплазменная горелка с медным анодом разработки ЗАО НПФ«ИТС» и ВАТТ. Существует соглашение, что после промышленных испытанийпромышленное производство этой горелки будет осуществлять немецкая фирма«Abicor Binzel»
Рекомендуемыережимы плазменной сварки сплава АМг6 приведены в табл.2.5.
Таблица 2.5.
Ориентировочные режимы плазменной сваркистыковых соединений из сплаваАМг6 толщиной 3,2 мм. [5]
Род тока IСВ, А UД, В VСВ, м/ч dПР, ммq/v.103, Дж/м
Постоянный (обратная полярность) 87 33 23 1,8 225 Переменный 220 21 20 2,0 415
Механические свойства сварных соединений изсплава АМг6 толщиной 3,2 мм, выполненных на постоянном токе обратной полярностиследующие: предел прочности.В = 32,3 – 33,4 кгс/мм2 (316,9 – 327,7 МПа),угол загиба. = 78 – 81 град. [5]
2.4.Механизированная аргонодуговая сварка плавящимся электродом.
2.4.1.Механизированная сварка плавящимся электродом непрерывным током
Механизированнуюсварку плавящимся электродом применяют для получения стыковых, тавровых,нахлесточных и других соединений алюминия и его сплавов толщиной 4-6 мм иболее. Этот способ является самым производительным среди ручных видов сварки.За границей наиболее распространенный среди видов сварки алюминия.
Отличиеммеханизированной сварки алюминия от традиционной механизированной сварки сталейявляется: использование аргона в качестве защитного газа, тефлоновых подающихканалов вместо стальных, специальной формы роликов в подающем механизме,специальных мундштуков на горелках. В СССР ввиду отсутствия дешевых тефлоновыхканалов этот метод сварки был незаслуженно не востребован.
Электрическая дугапри этом способе сварки горит между изделием и плавящимся электродом(проволокой), который подается в зону дуги обычно с постоянной скоростью.
Надежноеразрушение пленки окислов при механизированной сварке плавящимся электродомдостигается лишь при питании дуги постоянным током обратной полярности.Механизм удаления окисной пленки в этом случае заключается в разрушении ираспылении ее тяжелыми положительными ионами, бомбардирующими катод (эффекткатодного распыления).
Недостаткомспособа сварки алюминия плавящимся электродом является некоторое снижение посравнению со сваркой неплавящимся электродом показателей механических свойств.В частности, уменьшение прочности шва об
ясняется тем, чтоэлектродный металл, проходя через дуговой промежуток, перегревается в большейстепени, чем присадочная проволока при сварке неплавящимся электродом. Такжепроисходит худшее удаление окисной пленки, т.к. при аргонодуговоймеханизированной сварке непрерывным током сварочный процесс сопровождаетсякороткими замыканиями, в момент которых катодное распыление отсутствует.
Для устраненияэтих недостатка в сварочной установке ВД-306ДК применены принципиально новыетехнические решения: низковольтная постоянная подпитка сварочной дугинапряжением 10-11В, которая накладывается на общую картину сварочногонапряжения.
Для сварки, какправило, применяют проволоку диаметром 1.2-1.6 мм, так как из-за недостаточнойжесткости сварка алюминиевой проволокой меньшего диаметра затруднена.Применение проволоки большего диаметра принципиально возможно, однако сварныесоединения в этом случае получаются крупночешуйчатые, что ухудшает их внешнийвид и механические свойства.
Установки длямеханизированной сварки состоят из выпрямителя (ВД-306ДК и т.д.), механизмаподачи (ПДГО-508, ПДГО-510 и т.д.) со специальными роликами.
Конструкциямеханизма подачи должна обеспечивать надежное и стабильное поступление мягкойалюминиевой проволоки. Обычно в таких механизмах предусматривают две парыспециальных ведущих и прижимных роликов, что уменьшает возможностьпроскальзывания проволоки и ее сминания.
Наиболее применимысварочные горелки немецкой фирмы «Abicor Binzel» с тефлоновым подающим каналом.Следует отметить, что в виду использования аргона, как защитного газа, чащевсего применяют водоохлаждаемые модели горелок. Сопло горелки должнообеспечивать надежную защиту инертным газом жидкой сварочной ванны. Диаметрсопла горелки для механизированной сварки алюминия обычно 18-22 мм.
Ориентировочныережимы механизированной аргонодуговой сварки алюминия плавящимся электродомприведены в табл. 2.6.
Таблица 2.6.
Ориентировочные режимы механизированнойаргонодуговой сварки алюминия и его сплавов плавящимся электродом. [5]
Тип соединения b, мм dЭЛ.ПР., мм IСВ, А UД, В VCВ, м/ч Расход аргона, л/мин Число проходов Встык, без разделки кромок 4-6 8-10 12 1,5-2,0 1,5-2,0 2,0 140-240 220-300 280-300 19-22 22-25 23-25 20-30 15-25 15-18 6-10 8-10 10-12 2 2 2 Встык, с Vобразной разделкой кромок на подкладке 5-8 10-12 1,5-2,0 2,0 220-280 260-280 21-24 21-25 20-25 15-20 8-10 8-12 2-3 3-4 Встык, с Х образной разделкой кромок 12-16 20-25 30-60 2,0 2,0 2,0 280-360 330-360 330-360 24-28 26-28 26-28 20-25 18-20 18-20 10-12 12-15 12-15 2-4 4-8 10-40 Тавровое, угловое и нахлесточное 4-6 8-16 20-30 1,5-2,0 2,0 2,0 200-260 270-330 330-360 18-22 24-26 26-28 20-30 20-25 20-25 6-10 8-12 12-15 1 2-6 10-40
Особыйинтерес при механизированной сварке алюминия вызывает использование источникапитания ВД-306ДК с механизмом подачи ПДГО-508(510) (полуавтоматический модульмультисистемы «Сорока»). Использование этого источника вызывает большойпромышленный интерес в виду того, что в нем применены принципиально новыетехнические решения: низковольтная постоянная подпитка сварочной дугинапряжением 10-11В. Особенностью низковольтной подпитки напряжения на сварочнойдуге является наложение постоянно действующего отрицательного потенциала. Этообеспечивает непрерывное горение электрической дуги, улучшает удаление окиснойпленки, обеспечивает более мягкий переход капель электродного металла всварочную ванну, уменьшает разбрызгивание и улучшает стабильность горения электрическойдуги и качество формирования сварного соединения. Высоковольтная подпиткаслужит для облегчения зажигания дуги. Таким образом, в указанной схеме сталовозможным производить регулирование продолжительности коротких замыканий и ихчастоты, возможность регулирования тока короткого замыкания. Установка имееттакже возможность регулировки угла наклона вольтамперных характеристик ивозможность производить сварку на значительном удалении от источника питания(до 20м). Последнее обеспечивается за счет применения обратных связей по току инапряжению на дуге. Для реализации последнего необходимо применять подающиймеханизм ПДГО-510Т и выпрямитель ВД-306ДК. Следует напомнить, что этот источникобеспечивает высококачественную сварку алюминия и его сплавов в режиме ручнойдуговой сварки. Кроме того, его использование позволяет решить проблемыкомплектации сварочной техникой цехов, когда все виды сварки (ММА, МИГ, ТИГ)можно производить на базе одного выпрямителя, комплектуя его различнымиприставками (БУСП-ТИГ, ПДГО) для реализации различных технологическихпроцессов.
Механическиесвойства сварных соединений из сплава АМг6 толщиной 10 мм, выполненныхмеханизированной сваркой на традиционных источниках питания (типа ВДУ-506)следующие [7]:.В = 30,6 кг/мм2,угол загиба. = 133 град.
2.4.2. Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом.
Повыситькачество металла шва алюминиевых сплавов удается применением техникиуправляемого переноса металла при импульсно-дуговой сварке.
Импульсно-дуговаясварка плавящимся электродом отличается от обычной тем, что на постоянный токобратной полярности, получаемый от основного источника питания, накладываютсякратковременные импульсы тока с определенной частотой (как правило, 50 или100Гц). Импульсы генерируются импульсным устройством для получениямелкокапельного направленного переноса электродного металла через дугу приболее низких значениях сварочного тока, чем это имеет место при естественноммелкокапельном переносе. Величину и длительность импульсов сварочного токавыбирают такими, чтобы можно было обеспечить управляемый перенос металла сторца электрода небольшими каплями в широком диапазоне токов. Как правило, впаузах между импульсами значение тока небольшое, но достаточное для поддержаниягорения сварочной дуги, при котором ввод теплоты в изделие уменьшается иотсутствует перенос металла.
Импульсно-дуговаясварка обеспечивает повышение механических свойств наплавленного металла исварных соединений в целом, улучшает стабильность процесса, позволяет выполнятьсварку в различных пространственных положенияхс улучшенным формированием швов, существенно стабилизировать провар корня шва.
Длямеханизированной импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом используютисточник питания ВДГИ-302, который комплектуется подающим механизмом ПДИ-304.
Ориентировочныережимы механизированной импульсно-дуговой сварки алюминия и его сплавовплавящимся электродом в аргоне приведены в табл. 2.7.
Таблица 2.7.
Ориентировочные режимы механизированнойимпульсно-дуговой сварки алюминия и его сплавов плавящимся электродом в аргоне.[5]
b, мм dЭЛ.ПР., мм Частота импульсов, 1/с , А UД, В , м/ч Расход аргона, л/мин Число проходов 4 1,4-1,6 50 130-150 17- 19 20- 25 10-12 1 5 1,4-1,6 50 140-170 17- 19 20- 25 10-13 1 6 1,4-1,6 100 160-180 18- 21 20- 25 12-14 1 8 2,0 100 160- 190 22-24 25- 30 12- 14 2 10 2,0 100 220- 280 24- 26 25- 30 14- 16 2
В последние годыширокое распространение при импульсно-дуговой сварке алюминия получили инверторныеустановки. Наиболее характерным представителем является установка длямеханизированной сварки типа Sinermig – 401 («OZAS»). Работа источникаосуществляется на частоте 26 кГц с возможностью наложения дополнительныхимпульсов регулируемой амплитуды и скважности. Применение дополнительныхимпульсов позволяет увеличить производительность на 25% (по данным ОАО«Адмиралтейские верфи»). Использование этого источника позволяет получать кромеуказанных выше возможностей, еще и формирование швов с обратным валиком и т.д.,что часто требуется при сварке трубопроводов. Это достигается за счетвозможности регулировки амплитуды и скважности импульсов, что невозможно наустановке ВДГИ-302, где импульсы следуют постоянной амплитуды и частоты.Однако, данных по механическим свойствам изделий из алюминия и его сплавов,сваренных на таком источнике, не существует, ввиду его новизны, поэтому, точноделать выводы о применимости его для сварки конструкций из алюминиевых сплавовнельзя. В данной работе ниже приводится систематические данные по сравнениюмеханических свойств на различных источниках питания при различных видахсварки.
3.Оценка способов дуговой сварки алюминия и его сплавов.
1. Электродуговаясварка алюминия является сложным процессом и требует точного поддержанияпараметров технологического процесса. Это обусловлено специфическими свойствамиалюминия (низкая температура плавления ТПЛ =
VCВ
IСВ 6600С, высокая теплопроводность. = 0.52 кал/см.сек.0С, высокая скоростькристаллизации металла шва, высокое сродство к кислороду, высокий коэффициентлинейного расширения. = 24,58.10-6). При нарушении технологии швы могутбыть плохого качества. Основными дефектами являются непровары, прожоги, поры,трещины, окисные и вольфрамовые включения, а также неудовлетворительноеформирование шва.
2. При всех видахэлектродуговой сварки алюминия применяют специальные технологические иконструктивные меры, способствующие удалению окисной пленки с поверхностисвариваемого металла, шлаковых включений, снижению загазованности сварочнойванны, уменьшающие коробление и т.д., которые описаны в настоящей работе.
3. Принципиальнодуговая сварка алюминия и его сплавов может осуществляться всеми известнымиметодами: ручная дуговая сварка покрытыми электродами, аргонодуговая сварканеплавящимся электродом (симметричным переменным током, асимметричнымпеременным током, импульсная), плазменная сварка, полуавтоматическаяаргонодуговая сварка плавящимся электродом (с использованием источниковпитания, выполненных по стандартной схеме выпрямления, с использованиемнизковольтных и высоковольтных подпиток напряжения на сварочной дуге –комбинированная вольтамперная характеристика, с наложением импульсов насварочное напряжение). Особое внимание при использовании этих методовнеобходимо обратить на то, что сварку необходимо осуществлять на обратнойполярности или переменном токе. Этот процесс промышленно освоен. Применениесварки на прямой полярности принципиально возможно и обеспечивает высокоекачество но находится в стадии лабораторных образцов. В табл. 3.1 приведеносравнение механических свойств сварного соединения из сплава АМГ-5,выполненного различными методами и наличия внутренних дефектов. Сварка производилась на сплаве АМг5, S = 2.5мм, = 1.2 мм.
Таблица 3.1
Зависимость механических свойств сварногосоединения из АМг-5 от вида сварки
Вид сварки Установка Режим сварки .В, кгс/мм2 ., град Дефекты Исходный материал 32 Механизированная сварка плавящимся электродом ВС-300Б =110А, UД = 18В 19 105 П1,0; 7П0,3 ВДУ-506 =125А, UД = 18В 21 125 3П0,3; П1,0 ВД-506ДК =120А, UД = 17В 26 45 10П0,3 Механизированная импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом ВДГИ-302 f = 100Гц, =100А, UД = 20В 10 90 2Н5,0; 6П0,3; 2П1,0 ВДГИ-302 f = 50Гц, IСВ = 100А, UД = 20В 27 103 Синермиг-401 = 87А, UД = 16В 18 130 3П1,0; 3П0,5 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />IСВ IСВ IСВ IСВ IСВ dПР
Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом с подачей присадочной проволоки УДГУ-351 Симметричный ток, IСВ = 50А 16 37 Ц5В0,5; 5П0,3; В0,5 УДГУ-351 Асимметричный ток, IСВ = 50А, КАС = 0.56 9 90 3П0,3; В2,0 УДГУ-351 Асимметричный ток, IСВ = 50А, КАС = 0.43 26 83 4С5В0,5; 2В0,5 УДГУ-351 Пульсир. режим = 0.15с, tп= 0.15с, IСВ = 50А 23 75 2С10В0,5; С20В0,5; П 1,0 /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Из анализа данных таблицы 3.1следует:…
Наилучший результатобеспечивает стандартная установка для импульсно-дуговой механизированнойсварки типа ВДГИ-302 на частоте следования импульсов 50Гц. Сварные соединения,сваренные этим методом, единственные среди исследованных в работе, не имеютвнутренних дефектов, имеют самую высокую механическую прочность сварногосоединения (84% от прочности основного металла) и один из самых высоких угловзагиба.
Ко второй группе установокотносятся выпрямители для полуавтоматической сварки (ВД-306(506)ДК, ВДУ-506),которые показали очень неплохие результаты. Механическая прочность составляет81,2% от прочности основного металла для ВД-306ДК и 65% для ВДУ-506.
К третьей группе установокотносится синергетический источник Синермиг-401 на котором производиласьимпульсно-дуговая механизированная сварка на базовой частоте 26кГц и подачадополнительных импульсов на частоте 100Гц. Полученные данные по этому источникудостаточно противоречивы. С одной стороны получена самая высокая пластичностьсварного соединения (данные по углу загиба), с другой стороны – один из самыхнизких показателей механической прочности (56% от прочности основного металла).
К четвертой группе установокможно отнести метод сварки ТИГ на установках типа УДГУ-501. Самым интереснымрезультатом является факт, что при сварке переменным симметричным токомполучены одни из самых низких показателей по механической прочности и углузагиба сварного соединения (50% от прочности основного металла). Хуже имеютсяданные только при коэффициенте асимметрии 0,43, т.е., когда синусоиданапряжения на электроде горелки и изделии сдвинута в положительную область,т.е. на изделии присутствует больше положительного потенциала, чемотрицательного (28% от прочности основного металла). Картина качественноменяется, когда коэффициент асимметрии составляет 0,53, т.е. синусоиданапряжения на электроде и изделии сдвинута в отрицательную область (81,2% отпрочности основного металла) или когда применен пульсирующий режим сварки (72 %от прочности основного металла).
Объяснить полученные результатыможно следующим образом: при сварке алюминиевых конструкций и использованииалюминиевой проволоки для обеспечения формирования плотного малоокисленногосварного соединения перенос должен вестись каплями достаточно однородногоразмера, причем размер этих капель должен не быть минимальным, а перенос,соответственно, не должен быть струйным. В противном случае, при использованииинверторных источников питания, когда из-за работы источника питания на большойчастоте происходит процесс дробления капель, происходит их интенсивноеокисление, ввиду резкого увеличения удельной поверхности капель. Сварноесоединение формируется из капель минимального размера, которые достаточноокислены, поэтому механические свойства соединения невелики, но внешний вид ипластичность соединения находятся на высоком уровне. Для формированиявысококачественного сварного соединения просто не хватает степени газовойзащиты, а сварка со специальными дополнительными газовыми поддувами иликамерами с контролируемой атмосферой экономически не оправдана.
Косвенно полученный выводподтверждает результат по использованию другого импульсно-дугового источника,но работающего на промышленной частоте – ВДГИ-302. В этом случае, уменьшениечастоты следования импульсов со 100 до 50Гц, т. е. не стремление к струйномупереносу, а стремление фиксировать размер капель электродного металла на уровне0,8-1 мм, позволило получить самые высокие результаты.
В таблице 3.2 приведены экспериментальныехарактеристики сварочного процесса при механизированной сварке плавящимсяэлектродом (dэ=1.2 мм) в среде аргона сплава АМг5. Таблица 3.2Экспериментальные характеристики сварочного процесса при механизированнойсварке плавящимся электродом (dэ=1.2 мм) в среде аргона сплава АМг5 />
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ИПОЖАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ СВАРОЧНЫХ РАБОТ
Леса, подмостки и трапы насудне должны быть надежными, изготовленными по утвержденным чертежам ипринятыми представителями отдела техники безопасности. Леса должны иметьбортовые доски высотой 150 мм, чтобы исключить падение вниз инструментов илидругих предметов. На лесах обязательно устанавливают 2-3 яруса лееров. Трапыили сходни должны быть прочно закреплены и иметь перила по обеим сторонам. Недопускается перегрузка лесов сверх нормы. Необходимо следить, чтобы по однойвертикали на лесах и площадках не работало несколько человек.
Запрещается работать на мокрых,скользких и обледенелых палубах судна и настилах лесов. Лед надо сколоть, амокрые места посыпать песком, опилками и т.п.
Все рабочие места в цехе и насудне должны быть оборудованы средствами тушения пожаров. В жаркое время годадеревянные настилы лесов периодически поливают водой. Все горючие ибыстровоспламеняющиеся материалы хранят в специальных помещениях и специальнойтаре. При использовании огнеопасных материалов нужно строго придерживатьсяинструкций.
В случае возникновения пожара вцехе или на судне необходимо срочно вызвать пожарную команду завода, а до ееприбытия принять меры по тушению пожара (воспользоваться огнетушителем, пескоми водой) и меры по обеспечению безопасности людей и спасению имущества от огня.
Следует помнить, что масло,нефть можно тушить пенными огнетушителями или песком. Горячую электропроводку иэлектрические машины, находящиеся под напряжением, нельзя тушить водой ипенными огнетушителями, так как это может привести к поражению людейэлектрическим током. В таких случаях нужно немедленно обесточить проводку имашины и только после этого приступить к тушению огня. При возникновении пожараочень важно сохранить спокойствие, дисциплину и беспрекословно выполнятьраспоряжения руководителя, ответственного за тушение пожара.
Ответственность за организациюи состояние техники безопасности на предприятиях несет администрация этихпредприятий, в составе которой имеются специальные отделы по техникебезопасности, или инженеры по технике безопасности.
Все рабочие, перед допуском кработе, должны быть проинструктированы по безопасному ведению работ и в случаенеобходимости сдать соответствующее испытание по правилам техники безопасности.
Вредное влияние излученияэлектрической дуги, невидимые ультрафиолетовые лучи, используемые сварочнойдугой, вредно действует на сетчатку и роговую оболочку глаз. Если смотреть незащищенными глазами на свет дуги в течение 5-10 минут, то спустя 1-2 часа послеэтого, появляется боль в глазах, спазмы век, слезотечение, светобоязнь ивоспаление глаз. В этом случае нужно обратиться к врачу.
Для защиты зрения служат щиткии маски с защитными стеклами. Стекла совершенно не пропускают ультрафиолетовыхлучей, а инфракрасные лучи пропускают лишь в пределах от 0,1 до 3% от общегоколичества.
Для предохранения от действиялучей сварочной дуги, людей, работающих по соседству с местами сварки,ограждают светонепроникающими щитами, ширмами или кабинами из фанеры ибрезентом высотой 1,8 м. Для улучшения вентиляции внутри кабины, стенки недоводят до пола на 25-30 см. чтобы уменьшить разность в яркости света, стенкикабин окрашивают в матовые светлые тона (серый, голубой, желтый) и увеличиваютискусственную освещенность рабочего места.
Поражение электрическим током.Предельное напряжение холостого хода при сварке не должно превышать, какправило, 70 В. Особенно опасно поражение током при сварке внутри резервуаров,где сварщик соприкасается с металлическими поверхностями, находящимися поднапряжением по отношению к электродержателю.
Список используемойлитературы.
1.Anders Norlin. A century of aluminium – a product of the future // A welding review published by Esab. Focus Aluminium, 2000. №2. с. 31-33.
2.Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. .: Машиностроение, 1977.
3.Аргоно-дуговая сварка алюминиевых сплавов для строительных конструкций, технологические рекомендации. М.: Госстройиздат, 1963.
4. Каталог ESAB, 1998.
5.Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. Киев: Наукова думка, 1981.
6.Малаховский В.. Плазменная сварка. М.: Высш.шк., 1987.
7.Руссо В.Л. Сварка алюминиевых сплавов в среде инертных газов. Л.: Судпромгиз 1962.
8.Рабкин Д.М., Игнатьев В.Г., Довбищенко И.В. Дуговая сварка алюминия и его сплавов. М.: Машиностроение, 1982.
9.Рабкин Д.М., Игнатьев В.Г., Довбищенко И.В. Сварка алюминия и его сплавов: курс лекций для специалистов-сварщиков. Киев: Науковадумка, 1983.
10.Klas Weman. Equipment for aluminiu welding //A welding review published by Esab. Focus Aluminium, 2000. №2. с. 11-13.