ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ИХ ОСНОВЕ

12.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА

Число металлов и сплавов, используемых в сварных конструкциях, непрерывно возрастает, так как этого требует развитие науки и техники. Цветные металлы и сплавы находят широкое применение в авиастрое­нии, ракетной и космической технике, энергетическом, атомном, химиче­ском машиностроении, приборостроении и других отраслях. В качестве конструкционных материалов наиболее широко используются алюминий, магний, титан, медь, никель, молибден, ниобий, тантал, цирконий, гаф­ний и сплавы на их основе. Цветные металлы и сплавы можно условно разделить на легкие (Al, Mg, Be), тяжелые (Си, Ni) и химически активные и тугоплавкие (Ti, Mo, Nb, Zr, Та).

Алюминий и его сплавы широко применяют в связи с их сравни­тельно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозион­ной стойкостью во многих средах и высокими механическими свойства­ми при низких температурах в авиа-, ракето-, судостроении, в химиче­ской и пищевой промышленности.

Медь и ее сплавы используются в различных отраслях для изготов­ления трубопроводов, теплообменников, сосудов, емкостей, токоведущих элементов, узлов подшипников из-за высоких коррозионной стойкости, электро- и теплопроводности, износостойкости.

Титан и его сплавы все более широко применяют в авиа-, ракето-, судостроении, химической промышленности и в атомной энергетике для получения прочных и стойких в некоторых агрессивных средах конст­рукций.

Никель и его сплавы благодаря высокой коррозионной стойкости, жаропрочности и жаростойкости находят широкое применение в химиче­ской и нефтехимической промышленности, энергетике.

Такие металлы как молибден, ниобий, цирконий достаточно широко используют в ракетной и космической технике, в химическом машино­строении и атомной энергетике в связи с высокой жаропрочностью.

Основные физико-химические свойства цветных металлов представ­лены в табл. 12.1.

436 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

12.1. Физико-механические свойства некоторых цветных металлов

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 437

Свариваемость цветных металлов и сплавов определяется их физи­ко-механическими и физико-химическими свойствами, наиболее важны­ми из которых являются: сродство к газам воздуха, температуры плавле­ния и кипения, теплопроводность, механические характеристики при низких и высоких температурах.

Для цветных металлов и сплавов характерны следующие особенности:

1. Цветные металлы обладают большим сродством к кислороду. По убывающей степени сродства к кислороду при Т = 1600 °С металлы рас­полагаются в ряд: Al, Zr, Ti, Mo, W, Ni, Cu.

2. Оксиды этих металлов, как правило, более тугоплавкие, чем сам металл (температуры плавления Сu₂О - 1235 °С, СuО - 1336 °С, MgO -2500 °С, А1₂О₃ - 2050 °С, NiO - 2090 °С, ZrO₂ - 2800 °С) и могут засорять металл сварного шва. В тех случаях когда оксиды более легкоплавкие (температура плавления МоО₂ - 1480 °С), возможно образование кри­сталлизационных трещин.

3. Для сварки металлов (Al, Mg, Cu) с высокими теплопроводностью и теплоемкостью требуются более мощные концентрированные источни­ки тепла или подогрев.

4. При сварке некоторых сплавов цветных металлов возможно испа­рение отдельных легкоплавких компонентов. Так, температура плавления цинка 419 °С, олова 232 °С, а температура плавления латуней и бронз 800... 950 °С.

5. Все цветные металлы и особенно химически активные и тугоплав­кие в сравнении с черными металлами значительно больше растворяют газы, содержащиеся в атмосфере и химически взаимодействуют с ними.

Так как взаимодействие цветных металлов с газами и примесями наиболее интенсивно протекает при высоких температурах, при сварке плавлением этих металлов могут возникать различные трудности.

В целом для сварки цветных металлов используют все известные виды сварки плавлением: газовую, дуговую, плазменную, электрошлако­вую, электронно-лучевую, лазерную и др. Но при сварке каждого цветно­го металла и сплава необходимо находить свои оптимальные виды, спо­собы и приемы сварки.

12.2. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ

Алюминий и его сплавы

Чистый алюминий из-за низкой прочности используют в отдельных случаях в химической, пищевой и электротехнической промышленности.

438 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

В основном в конструкциях применяют сплавы. Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, применяемые в катаном, прессованном и кованом состояниях, и литейные, используемые в виде отливок. Де­формируемые сплавы в свою очередь подразделяются на сплавы, не уп­рочняемые термообработкой (система легирования Al-Мп марки АМц, А1-Ме марки ДМг) и сплавы, упрочняемые термообработкой (система легирования Al—Mg~Cu; Al-Zn-Mg; Al-Si-Mg). В сварных конструкциях чаще всего используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.п.) из деформируемых, термически не упрочняемых сплавов в ненагартованном виде При сварке термоупрочненных сплавов металл в ЗТВ разупрочня-ется поэтому их применение целесообразно только при возможности последующей термообработки. Химический состав и механические свой­ства типичных марок алюминия и его сплавов приведены в табл. 12.2. Трудность сварки алюминия и его сплавов заключается в следующем:

1 Высокие теплоемкость, теплопроводность, скрытая теплота плав­ления требуют более высокого и концентрированного тепловложения, чем при сварке стали. Так, при дуговой сварке алюминия необходим ток в I 2 15 раз больше, чем при сварке стали, несмотря на более низкую температуру плавления алюминия.

2 Алюминий легко окисляется в твердом и расплавленном состоя­ниях Плотная тугоплавкая окисная пленка А1₂О₃ (T_пл = 2050 °С) препят­ствует сплавлению сварочной ванны с основным металлом и образует в металле шва неметаллические включения. Перед сваркой следует удалять окисную пленку с поверхности основного и присадочного металла меха­ническим путем или травлением. В процессе сварки окисную пленку удаляют за счет катодного распыления, за счет применения флюсов и покрытий электродов, растворяющих или разрушающих ее переводом в летучее соединение.

3 Низкая прочность алюминия при высоких температурах (рис. 12.1, а) и высокая жидкотекучесть способствуют "проваливанию" сварочной ванны Для предотвращения провалов и прожогов обычно применяют подкладки из графита или стали.

4 Высокая растворимость газов в расплавленном состоянии способ­ствует образованию пор при кристаллизации. Основной причиной появ­ления пор в алюминиевых швах является наличие водорода (рис. 12.1, б). Водород растворенный в жидком металле, при затвердевании должен выделиться из него в количестве 90 ... 95 % своего объема, но этому пре­пятствуют плотная окисная пленка и низкий коэффициент диффузии во­дорода в алюминии. Поры преимущественно располагаются внутри шва вблизи границы сплавления и у поверхности шва. Борьба с газовой по-

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 439