Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

Чистый алюминий хорошо деформируется и сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

10.1. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

При маркировке алюминиевых сплавов сначала указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

1)деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:

2)деформируемые сплавы, упрочняемые термической обра-

боткой;

3)литейные сплавы.

Граница между деформируемыми и литейными сплавами определяется пределом насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рис. 10.1, точка D). Наличие эвтектической структуры резко уменьшает пластичность сплава, и при некотором содержании эвтектики (обычно небольшом) прессование, ковка и другие виды обработки давлением становятся неосуществимыми. Сплавы эвтектического состава (до 15–20 % по объему) имеют высокую жидкотекучесть и наиболее широко применяется в литейном производстве.

Теоретически границей между деформируемыми упрочняемыми и не упрочняемыми термической обработкой сплавами должен быть предел насыщения твердого раствора при комнатной

191

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии: чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Термически упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавыпосистемелегированиямогутбытьразделенынанесколькогрупп:

–сплавы на основе системы Аl – Сu – Мg (дюралюмины):

Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18;

–сплавы на основе системы Аl – Мg – Si и Аl – Сu – Мg – Si (авиали): АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8;

–сплавы на основе систем Аl – Сu – Мg – Fe – Ni: АК2, АК4,

АК4-1;

–сплавы на основе системы Аl – Сu – Мn: Д20, Д21;

–сплавы на основе системы Al – Zn – Мg – Сu: В93, В95, В94;

–сплавы на основе системы Аl – Мg – Zn: В92, В92Ц, АЦМ.

К дюралюминам относятся сложные сплавы систем алюминий – медь – магний или алюминий – медь – магний – цинк. Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец. Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500 °С и старению. Из диаграммы состояния Аl – Cu (рис. 10.2) видно, что максимальная растворимость меди в твердом алюминии составляет 5,7 % при 548 °С. При понижении температуры растворимость падает, составляя 0,2 % при 20 °С. Наличие линии переменной растворимости АВ показывает возможность упрочнения сплава. После нагрева выше линии АВ и закалки микроструктура сплавов, содержащих более 0,2 % Cu, состоит из однородных зерен пересыщенного α-твердого раствора. Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью, предотвра-

193

щающей распад пересыщенного твердого раствора. Закалку обычно производят в воде. После закалки сплавы имеют невысокую прочность (σв = 250 МПа). С целью дальнейшего упрочнения сплавы подвергают естественному старению в течение нескольких суток или искусственному при температуре около 150 °С в течение 10–24 ч. На рис. 10.3 представлены микроструктуры дюралюмина после закалки и после закалки и старения.

Рис. 10.2. Левый участок диаграммы состоянияAl – Cu

аб

Рис. 10.3. Микроструктура дюралюмина Д16:

а – после закалки; б – после закалки и старения (×200)

194

В начальный период старения образуются зоны Гинье–Прес- тона. В этот период атомы меди еще не выделяются из раствора. В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка искажена, в кристалле возникают большие напряжения, что увеличивает твердость и прочность металла. При дальнейшем развитии старения зоны Гинье–Престона увеличиваются, а затем выделяются мельчайшие частицы θ-фазы (CuAl2), которые впоследствии коагулируют. Процесс образования зон Гинье–Престона и достижение стадии так называемого предвыделения приводит к максимальному упрочнению (σв = 500…550 МПа).

При искусственном старении увеличение времени выдержки может привести к образованию вторичных кристаллов θ-фазы (CuAl2) и падению предела прочности до σв = 200 МПа (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Влияние температуры и времени старения на прочность дюралюминов

Дюралюмины широко применяются в авиастроении, автомобилестроении, строительстве (табл. 10.1).

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы,

которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре

195

380–450 °С, подвергаются закалке от температуры 500–560 °С

истарению при 150–165 °С в течение 6–15 ч.

Всостав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300 °С. Изготавливают поршни, лопатки

идиски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

Литейные алюминиевые сплавы

К литейным сплавам относятся сплавы системы Al – Si (силумины), имеющие состав близкий к эвтектическому (10–13 % кремния). При содержании кремния 11,6 % в таких сплавах образуется легкоплавкая эвтектика (Тпл = 564 °С). Силумины обладают хорошими литейными свойствами: имеют узкий температурный диапазон кристаллизации, сравнительно небольшую усадку, высокую жидкотекучесть, малую склонностью к образованию горячих трещин и пористости.

У силуминов практически отсутствует пластичность (σв = = 150…170 МПа) из-за наличия крупных кристаллов эвтектик и хрупких и непрочных кристаллов кремния в эвтектике. Чтобы уменьшить хрупкость таких сплавов, их подвергают при выплавке модифицированию с помощью NаСl, NаF.

Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

Таблица 1 0 . 1 Механические свойства промышленных алюминиевых сплавов

196

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

По ГОСТ 2685–63 литейные сплавы алюминия маркируют как АЛ2, АЛ3, …, АЛ13. Применяют их для изготовления литейных корпусов насосов, в том числе для перекачки агрессивных жидкостей, в художественном литье, при изготовлении предметов домашнего обихода и т.п.

10.2. СВАРИВАЕМОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Из перечисленных сплавов к свариваемым относятся: АД, АД1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, М40, Д20, ВАД1, В92Ц (деформируемые сплавы).

Среди физико-химических характеристик алюминия наибольшее влияние на свариваемость оказывают наличие окисной пленки, химический состав, теплопроводность, температура плавления, плотность, коэффициенты теплопроводности и линейного расширения. К числу основных трудностей сварки алюминия и его сплавов относятся:

1.Наличие и образование тугоплавкого окисла алюминия

А12О3, имеющего температуру плавления Тпл = 2050 °С, с плотностью больше, чем у алюминия. Окисел затрудняет сплавление кромок соединения и проникает внутрь шва через расплавленную ванну в виде включений, что ведет к снижению механических свойств шва (статической и циклической прочности соединения) даже больше, чем при порах и шлаковых включениях. Для осуществления сварки необходимо принять меры по разрушению и удалению пленки с поверхности кромок и прилегающего основного металла.

2.Возможность вытекания жидкого алюминия через корень шва и, как следствие, провисания корня. Это связано с резким падением прочности твердого металла при высоких температурах, что приводит к проваливанию нерасплавившихся частей кромок

197

под действием веса сварочной ванны. Вследствие высокой жидкотекучести жидкий металл может вытекать через корень.

3. Повышенная склонность к короблению. Алюминий имеет большой коэффициент линейного расширения (24,58·10–6 К−1 при температурах 20–200 °C) и низкий модуль упругости (70 ГПа). Последнее приводит к тому, что уровень деформации алюминиевых сварных конструкций в 1,5–2 раза выше, чем у аналогичных стальных конструкций. Сварка алюминия и его сплавов требует надежного крепления свариваемых заготовок.

4.Повышенная пористость сварного шва. Это связано с повышенной растворимостью газов в нагретом металле и задержкой их в нем при остывании. Данной способностью обладает водород, источником которого является влага, входящая в состав окисной пленки в виде гидратированных окислов. В связи с этим необходима тщательная химическая очистка присадочного материала и механическая обработка с последующим обезжириванием свариваемых кромок. Предварительный и сопутствующий подогрев замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, что способствует более полному удалению газов и снижению пористости.

5.Применение жестких режимов варки вследствие высокой теплопроводности алюминия, что приводит к необходимости применения мощных источников теплоты. С этой точки зрения в ряде случаев желательны подогрев начальных участков шва до температуры 120–1500 °С или применение предварительного и сопутст-

вующего подогрева.

6.Возможно растрескивание образовавшего кратера на конце шва. Это связано с быстрым термическим расширением алюминия

входе сварки и сужением при остывании. В случае вогнутых швов вероятность растрескивания возрастает, так как поверхность кратера по мере охлаждения сужается и трескается. Необходимо придать шву выпуклую форму для компенсации сжимающих сил.

7.Металл шва склонен к образованию трещин в связи с грубой столбчатой структурой и выделением по границам зерен легкосплавных эвтектик, а также развитием значительных усадочных

198

напряжений в результате высокой литейной усадки алюминия (7 %). Для уменьшения вероятности появления трещин в сварные швы могут добавляться специальные модификаторы, улучшающие кристаллическую структуру шва.

Удаление окисной пленки с поверхности свариваемого металла

Всварочной ванне алюминиевые сплавы взаимодействуют

сгазами и шлаками. Металлургические особенности сварки алюминия и его сплавов определяются взаимодействием их с газами окружающей среды, интенсивностью испарения легирующих элементов, а также особенностями кристаллизации в условиях сварочного процесса. При 1000 °С реакция окисления алюминия может протекать при давлении кислорода рО2 = 44,06 10–46 МПа. Обра-

зующаяся окись алюминия покрывает поверхность деталей плотной и прочной пленкой. При 20 °С процессы окисления алюминия протекают по параболическому закону. Важной характеристикой окисной пленки алюминия является ее способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Последний удерживается окисной пленкой до температуры плавления металла.

Коэффициент теплового расширения окисной пленки почти

втри раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в ней образуются трещины. При наличии

валюминии легирующих добавок состав окисной пленки может

Окисная пленка на поверхности алюминия и его сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050 °С), окисная пленка не расплавляется в процессе сварки и покрывает металл прочной оболочкой, затрудняющей образование общей ванны. Вследствие высокой адсорбционной способности к газам и парам воды окисная пленка является источником газов, растворяющихся в металле, и косвенной причиной возникновения в нем несплошностей различного рода. Частицы окисной

199

пленки, попавшие в ванну, а также часть пленок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать окисные включения в швах, снижающие свойства соединений и их работоспособность.

Для разрушения и удаления пленки и защиты металла от повторного окисления используют специальные сварочные флюсы или осуществляют сварку в атмосфере инертных защитных газов.

Вследствие большой химической прочности соединения А12О3 восстановление алюминия из окисла в условиях сварки практически невозможно. Не удается также связать А12О3 в прочные соединения сильной кислотой или основанием, поэтому действие флюсов при сварке алюминия основано на процессах растворения и смывания диспергированной окисной пленки расплавленным флюсом.

В условиях электродуговой сварки в инертных газах удаление окисной пленки осуществляется в результате электрических процессов, происходящих у катода (катодное распыление). В этих условиях возникает необходимость повышения требований к качеству предварительной обработки деталей перед сваркой с целью получения тонкой и однородной пленки по всей поверхности свариваемых кромок. Для предупреждения дополнительного окисления и засорения ванны окислами необходимо применять защитный газ высокой чистоты.

Порообразование при сварке алюминия и его сплавов

Водород, в отличие от других газов, обладает способностью растворяться в алюминии и при определенных условиях образовывать поры в металле швов.

Основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, является реакция взаимодействия влаги, содержащейся в окисной пленке, с металлом. Растворимость водорода в алюминии увеличивается при повышении температур. При наличии паров воды в зоне ванны концентрация растворенного в алюминии водорода может оказаться намного больше равновесной. При охлаждении растворенный водород в связи с понижением растворимости

200