книги / Сварка магниевых сплавов

сварке необходимо учитывать как одно из наиболее важных технологических свойств металла при назначении его для изго­ товления сварной конструкции. Известны случаи, когда из вы-, бранного сплава, удовлетворяющего всем эксплуатационным требованиям, не могли быть изготовлены работоспособные свар­ ные конструкции из-за образования трещин при сварке.

Единой, общепринятой методики оценки сопротивляемости сплавов на основе алюминия и магния воз­ никновению горячих трещин при сварке не существует. Создание та­ кой методики, основанной на изме­ рении разности между относитель­ ным удлинением и величиной линей­ ной усадки при температурах эф­ фективного интервала кристаллиза­ ции, представляет большие трудно­ сти. Для оценки склонности металла сварных швов алюминивых и маг­ ниевых сплавов к кристаллизацион­ ным трещинам разработаны и при­ меняются различные методики и

технологические пробы, основанные главным образом на измерении длины трещин. Технологические пробы сводятся обычно-

квыполнению тех или иных швов в жестких условиях, ограни­ чивающих свободное деформирование охлаждающегося в про­ цессе кристаллизации металла шва. Такие пробы не позволяют дать точную количественную оценку склонности сварного со­ единения к горячим трещинам, поскольку условия сварки тех­ нологических проб различных видов не могут быть идентичными во всех отношениях сварке реальных конструкций. Пробы мож­ но использовать для получения опытных данных о склонности

кобразованию трещин конкретных сварных соединений толькопри сопоставлении этих данных с некоторыми нормами, уста­ навливаемыми при подобных же испытаниях сварочных мате­ риалов, качество которых в практических условиях признано удовлетворительным.

Одной из самых простых технологических проб является

ции в направлении, перпендикулярном сварке. Оценку свари­ ваемости в этом случае производили по суммарной длине тре­ щин в сварном шве и околошовной зоне. На наш взгляд, эта проба не может считаться удовлетворительной прежде всего потому, что она является чрезмерно чувствительной к термиче­ скому циклу сварки. При определенных условиях (при понижен­ ных скоростях сварки, малых сварочных токах) на этой пробе

31

чески обрабатывают так лее, как и основной металл. Зазор меж­ ду пластинами (по свариваемой кромке) не должен превышать 0,3 мм. Для устранения зазора применяют точечную сварку пла­ стин, -специальные прижимы или прихватку длиной до 15 мм в середине кромки. Каждый последующий шов накладывают после остывания образца до температуры не выше 30—40° С. Сварку выполняют на весу, без применения формирующих под­ кладок. При этом горелку перемещают прямолинейно, без попе­ речных колебаний, без перерывов от начала до конца шва. При правильно выбранном режиме и технике сварки поверхности шва получается выпуклой, а проплавление нижнего листа — относительно равномерным по высоте. Ширина проплава обыч­ но составляет 4—9 мм. Шов, в начале которого имеется непро­ вар, в дальнейшем не учитывается при подсчете коэффициента образования трещин.

При длительных перерывах в (работе оператора-сварщика целесообразно перед началом сварки проб из исследуемого сплава произвести сварку крестовых проб из сплава с известной склонностью к образованию горячих трещин, например сплава АМгб.

Коэффициент образования горячих трещин при сварке кре­ стовой пробы (kTP) подсчитывают по формуле

=---- Ю0«/„,

где Ъ1Тр — суммарная длина всех участков швов, пораженных трещинами;

2/шв — суммарная длина всех швов пробы.

Аналогично -подсчитывается коэффициент образования тре­ щин при сварке проб в зажимном приспособлении типа «рыбий скелет» к круговых.

В МВТУ им. Баумана разработаны специальные машины, производящие в процессе остывания металла сварного шва де­ формирование с различной скоростью. Мерой склонности металла к образованию горячих трещин является скорость де­ формации, приводящая к появлению трещин.

При изучении вопросов свариваемости, в частности при опре­ делении склонности магниевых сплавов к образованию трещин при сварке, авторы использовали крестовую пробу. Эта мето­ дика иногда подвергается критике, причем говорится о субъ­ ективности полученных по ней результатов, поскольку сварка пробы производится вручную. Однако при изготовлении свар­ ных конструкций из легких сплавов трещины наиболее часто встречаются в швах, выполненных именно ручной сваркой, или в местах ручной подварки швов, -выполненных автоматической сваркой. Как показали исследования авторов, крестовая проба мало чувствительна к изменениям условий сварки (режим свар-

34

ки определяется по существу только одним параметром — силой сварочного тока, а скорость сварки зависит от нее, поскольку сварка ведется вручную) и в то же время более, чем другие технологические пробы («рыбий скелет», круговая и др.), чув­ ствительна к изменениям химического состава основного и при­ садочного металлов. Результаты исследований, проведенных с использованием этой пробы, хорошо согласуются с практиче­ скими данными.

Как показывает практика, для алюминиевых и магниевых сплавов результаты, полученные на крестовой пробе, совпадают с оценкой их склонности к образованию трещин при сварке в производственных условиях: чем выше коэффициент образова­ ния трещин kTP, тем чаще случаи их появления, тем больше подварок дефектных участков и тем труднее изготовить с по­ мощью сварки работоспособную конструкцию.

Результаты определения склонности деформируемых магни­ евых еплавов .к образованию трещин при аргоно-дуговой сварке приведены в табл. 11. Свариваемость еплавов изучали при свар-

Таблица 11

Склонность магниевых сплавов к образованию трещин

ке каждого сплава с присадкой из основного металла. Представ­ ляет определенный интерес сравнение коэффициента образова­ ния горячих трещин с величиной интервала кристаллизации этих сплавов. Сплавы, обладающие наименьшей склонностью к об­ разованию трещин при сварке, имеют узкий интервал кристал­ лизации, порядка 5—67°. Исключение составляет сплав МА8, который, несмотря на 'весьма узкий интервал кристаллизации, равный 5°, обладает склонностью к образованию кристаллиза­ ционных трещин почти такой же, как сплав МАЗ, у которого интервал кристаллизации намного больше.

Подобная связь склонности к образованию горячих трещин с интервалом кристаллизации наблюдается и у алюминиевых сплавов. Однако склонность к образованию трещин определяет-

ся в большей степени шириной температурного интервала хруп­ кости, чем интервалом кристаллизации, а приведенная выше связь склонности к образованию трещин с интервалом кристал­ лизации свидетельствует, в первом приближении, о наличии связи между интервалом кристаллизации и температурным ин­ тервалом хрупкости.

Из всех магниевых сплавов наименьшей склонностью к об­ разованию трещин при сварке плавлением обладает сплав МА1. Весьма узкий интервал кристаллизации двойных -сплавов маг­ ний— марганец обеспечивает высокое качество их сварных со­ единений без образования трещин. Сплавы этой системы отно­ сятся к числу магниевых сплавов, хорошо сваривающихся всеми видами сварки.

Из приведенных в табл. 13 сплавов явно непригодными для сварки плавлением можно считать сплавы ВМ65-1 и МАИ (коэффициент образования трещин &Тр=90-гЮ0%). Все осталь­ ные сплавы пригодны для применения их в штампосварных кон­ струкциях. Однако при проектировании таких конструкций и при составлении технологических процессов их изготовления необхо­ димо выполнять ряд условий, с тем чтобы обеспечить отсутствие кристаллизационных трещин.

Как правило, для большинства магниевых сплавов увеличе­ ние содержания легирующих элементов влечет за собой увели­ чение интервала кристаллизации, повышение склонности к обра­ зованию 'кристаллизационных трещин при сварке и других ха­ рактеристик, определяющих свариваемость сплавов.

В ряде случаев возникает настоятельная необходимость вы­ полнять изделия из сплавов, более или менее склонных к обра­ зованию кристаллизационных трещин при сварке присадочным металлом, близким по составу к основному металлу. При этом необходимо прежде всего активное металлургическое вмеша­ тельство в процесс кристаллизации сварного шва путем увели­ чения пластичности металла шва в температурном интервале хрупкости и уменьшения этого интервала за счет изменения со­ става металла шва по сравнению с основным металлом.

Один из способов металлургического воздействия на процесс кристаллизации металла шва заключается в применении при­ садочного металла иного состава, чем свариваемый сплав, с целью получения металла шва другого химического состава, не склонного к образованию трещин. При различии составов основного и присадочного металлов состав металла шва зависит от их доли в сварочной ванне. Минимальная доля присадочного металла в шве для стыковых соединений без разделки кромок составляет 20%, что считается достаточным для эффективного влияния на свойства сварного шва. Условия перемешивания основного и присадочного металлов определяются особенностя­ ми существования и затвердевания расплавленного металла в сварочной ванне.

36

Оставляя -неизменными при испытании на склонность к обра­ зованию трещин режим сварки, свариваемый металл, размеры образцов, тем самым оставляем одинаковыми термические де­

раствора непрерывной прослойки интерметаллического соедине­ ния MggCe как в сварном шве, так и в примыкающей к нему зо­ не. Поэтому металл в этих зонах имеет 'пониженные пластичность

/ — основного состава: 2 — МА2-1

Склонность к образованию трещин сплава системы Mg— Мп—Се снижается при сварке присадочным металлом, содер­ жащим алюминий (рис. 21), что объясняется структурными изменениями, происходящими при кристаллизации. Введение в шов алюминия приводит к частичному или полному связыванию

37

церия в новое интерметаллическое соединение СеА12, выделяю­ щееся по границам зерен не в виде сплошной прослойки, а в ви­ де дисперсных мелких кристаллов СеА12. При содержании свы­ ше 1% А1 в структуре металла шва фаза MggCe не содержится. Температура солидуса при этом повышается, а следовательно, интервал кристаллизации уменьшается.

Повышенное содержание церия в сплавах Mg—А1—Се, ис­ пользуемых как присадочные металлы при сварке сплава МА8, ухудшает свариваемость последнего [5]. Так, например, приса­ дочный сплав, содержащий 1,2—3,0% А1 и 2% Се, не устра­ няет трещин в шве и приводит к образованию трещин рядом со швом, что, вероятно, связано с высокой температурой плавле­ ния проволоки с повышенным содержанием церия и с широким интервалом твердо-жидкого состояния металла шва. Наличие в присадочном металле до 3% А1 при содержании 0,4 и 1,5% Се позволяет получить сварные соединения из сплава МА8 без трещин (при сварке пробы в зажимном приспособлении). Вве­ дение 3 и 6% Zn в присадочные сплавы, содержащие 1,2—3% А1 и 0,4—2% Се, резко снижает температуру солидуса и расши­ ряет интервал кристаллизации; кристаллизационные трещины при этом образуются в шве.

На сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин при сварке сплавов системы Mg—Мп—Се малые до­ бавки кальция в присадочном металле действуют аналогично добавкам церия. Так, например, при сварке сплава МА8 при­ садкой из сплава МЛ7, содержащего, кроме алюминия цинка и марганца, 0,35% Са (табл. 12), сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин такая же, как и в случае сварки МА8 присадкой основного состава. Температура соли­ дуса металла шва при этом заметно снижается (с 585 до 505° С) и интервал кристаллизации увеличивается.

Совместное присутствие в наплавленном металле небольших добавок кальция и церия заметно снижает сопротивляемость сварных соединений образованию трещин при сварке. Это мож­ но показать на примере сварки сплава МА8, содержащего 0,3% Се, присадочным металлом, имеющим в своем составе 0,2% Са (сплав МА8-Ь0,2% Са). Склонность сплава к образо­ ванию трещин при этом увеличивается с 31 до 66%, а трещины образуются в шве.

Согласно приведенным в табл. 12 данным оптимальным при­ садочным металлом при сварке сплава МА8 является проволока МА2-1. Сплавы на основе Mg—Mn—А1—Са (сплав МА9) уже при малом содержании в них кальция чувствительны к образо­ ванию горячих трещин при сварке с присадочным металлом ос­ новного состава. При этом с увеличением содержания кальция склонность к образованию трещин резко увеличивается (рис. 22, табл. 13). Склонность сплава этой системы к горячим трещинам в сильной степени зависит от состава сплава. Даже при леги-

38

ровании металла шва алюминием и цинком через присадочный металл (МА2-1 без кальция) склонность к горячим трещинам сплава МА9 хотя заметно уменьшается, но сохраняет прежнюю зависимость от содержания кальция в основном металле: она возрастает пропорционально увеличению в нем кальция. Для сварки сплава МА9, содержащего до 0,25% Са, можно реко­ мендовать в качестве оптимального присадочного металла про­

Mg—А1—Zn—Мп лучшей свариваемостью с точки зрения со­ противляемости образованию трещин при сварке обладают сплавы МА2 и МА2-1. Склонность сплавов этой группы к обра­ зованию трещин при сварке зависит от содержания алюминия и цинка 'в основном металле, а также от состава присадочного металла (табл. 14). Алюминий и, в особенности, цинк образуют

с магнием легкоплавкие эвтектики; температура плавления эвтектики Mg—А1 436° С, Mg—Zn 335° С. Тройная эвтектика в условиях неравновесной кристаллизации имеет еще более низ­ кую температуру затвердевания. Склонность сплава к образо­ ванию кристаллизационных трещин в значительной мере зави­ сит от количества легкоплавкой эвтектики, располагающейся по границам зерен и определяющей ширину ТИХ и пластичность сплава в этом интервале. Сплав МА2-1, по-видимому, содержит близкое к оптимальному 'количество этой эвтектики.

При увеличении содержания алюминия в сплаве более 5% склонность его к образованию трещин повышается

39

(см. табл. 11). Положительное влияние алюминия «а снижение склонности к образованию горячих трещин при сварке сплава МА2-1 хорошо видно на рис. 23. При содержании алюминия в пределах 3,8—5% (сплав МА2-1) склонность к образованию трещин минимальна. Уменьшение содержания алюминия в ме-

и марганца в тех же пределах, что и в основном металле)

талле шва (за счет уменьшения его содержания в присадке) приводит к резкому повышению коэффициента образования тре­ щин. Присадка из сплава МА2-1 для сплавов системы Mg—А1—Zn—Мп является лучшей по стойкости против обра­ зования горячих трещин.

Добавка церия с целью модифицирования сварного шва ока­ залась неэффективной. Присадочный сплав МА2-1, модифици­

(рис. 24), что, вероятно, связано с широким интервалом твердо­ жидкого состояния металла шва.

40