Лекции по свариваемости металлов, страница 7

1. Специфические теплофизические свойства : высокая теплопро­водность, теплоёмкость и с: с теплота плавления при сравнитель­но низкой температуре плавления ; высокий коэффициент отражения /при лазерной сварке/ ; значительная усадка при затвердевании свар­ного шва, а также высокий ко; лент линейного расширения приводят к существенным остаточным деформация

2. Лёгкая окисляемость в твёрдом и расплавленном состоянии. Образующаяся тугоплавкая окисная плёнка /ОП/ препятствует общему сплавлению соединяемых деталей. Замешанные ОП в металл шва снижают его механические свойства и работоспособность.

3. Образование пор при сварке, основным возбудителем которых является водород. .

4. Образование кристаллизационных трещин, возникновении кото­рых способствует транскристаллитное строение металла шва, ликвация, значительная усадка при кристаллизации и т.д.

5. Образование холодных трещин при сварке самозакаливающихся сплавов /Al – Zr – Mg)/.

1.1 Механизм образования и причины, вызывающие кристаллизационные трещины при сварке алюминиевых сплавов непрерывными методами нагрева широко освещены в литературе [1…18].

Известно, что зарождение кристаллизационных трещин происходит в температурном интервале хрупкости (ТИХ).

На пластичность металла шва в ТИХ, а, следовательно, и на де­формационную способность, существеннее влияние оказывает схема расположения кристаллитов. Траектория роста осей кристаллитов и ориентация их границ по отношению к оси сварного шва, в основном, определяет форма сварочной ванны, зависящая от условий сварки и последующего охлаждения. Схема кристаллизации шва, характеризующа­яся отсутствием непосредственной встречи кристаллитов передними гранями, при которой кристаллиты, зародившиеся на линии сплавления, срастаются с широким осевым кристаллитом на периферии шва, от­личается малой склонностью к образованию горячих продольных трещин. В этом случае отсутствует структурная концентрация деформаций в центре шва.

Швы, выполненные импульсной лазерной сваркой, сформированы рядом последовательных, перекрывающих друг друга течек (сварочных ванн). Кристаллизация каждой такой ванны смещена во времени и начинается после заверше­ния кристаллизации предыдущей точки. Кристаллиты растут в направ­лении центра точки. В этом случае, в отличие от сварки непрерывно действующим источником, не образуется непрерывной линии стыка крис­таллитов на продольной оси шва, что уменьшает вероятность образования трещин.

Скорость кристаллизации при лазерной сварке составляет 106 С, что затрудняет диффузионный механизм и поэтому внутрикристаллическая ликвация отсутствует или слабо выражена. При аргонодуговой сварке горячие трещины могут образоваться при наличии зональной или межкристаллитной ликвации, вызванных наличием легкоплавких эвтектик и примесей, которые в процессе кристалли­зация оттесняются растущими кристаллитами металла шва к границам меж­ду ними и к месту стыка кристаллитов в центральную часть сварочной ванны и становятся частью межкристаллитных прослоек. К моменту окон­чания кристаллизации они могут быть еще в жидком состоянии. При возникновении заметных по величине растягивающих напряжений в шве могут появиться на этих участках кристаллизационные трещины.

Склонность к кристаллизационным трещинам в зависимости от химического со­става сплавов оценивается в работах Бочвара А.А. [8] и др. Образование кристаллизационных трещин в сплавах системы Al-Mg во многом зависит от содержания Мg. Максимум трещинообразования располагается на оси концентраций вблизи границы появления эв­тектики. Большую склонность при аргонодуговой сварке имеет сплав, содержащий 1 - 2 % Mg; по мере увеличения магния образование кристаллизационных трещин уменьшается.

В сложных сплавах алюминия особенно отрицательно сказываются на склонности против трещин малые добавки элементов, вызывающие расширение интервала кристаллизации. Такими добавками выступают, например, магний в дюралюминии, медь - в алюминиево-магниевых спла­вах и др.

При сварке алюминия и его сплавов особое внимание необходи­мо уделить окисным пленкам, так как в швах они являются концент­раторами напряжений и повышают склонность к образованию горячих трещин. В связи с высокой температурой плавления окиси алюминия (2050°С), расплавления ее в процессе сварки не происходит. Части­цы окисной пленки, замешанные в ванну, могут образовать окисные включения в швах. В процессе нагрева металла, ввиду различных ко­эффициентов теплового расширения алюминия и пленки (коэффициент теплового расширения окисной пленки в три раза меньше, чем у алюминия), в последней образуются мельчайшие трещины [1]. В процес­се кристаллизации при наличии напряжений растяжения, вызванных несвободной усадкой шва, от окисных включений происходит развитие кристаллизационных трещин. Вышеизложенное касалось аргонодуговой сварки.

При лазерной сварке причи­нами образования пор, трещин и несплошностей в швах являются так­же окисные пленки.

1.2 Предотвращение образования кристаллизационных трещин в сварных соединениях при сварке плавлением

Проблемы, связанные со свариваемостью алюминия и его сплавов непрерывными методами плавления, в большинстве случаев решены, так как разработаны технология их сварки и способы предотвращения дефектов.

Пути устранения горячих трещин предусматривают:

- металлургичес­кое воздействие на свариваемый металл, основан­ное на выборе и корректировке состава присадочного металла с целью снижения его горячеломкости;

- конструктивно-технологические меры, направленные на изыскание рациональных способов и режимов сварки плавлением и конструкционных форм сварных соединений с целью уменьшения жесткости конструкций, снижения напряжений, деформа­ций и темпа нарастания деформаций в процессе затвердевания ме­талла шва.

Для кристаллизационных трещин меры снижения их образованию нап­равлены на:

- подавление столбчатого характера кристаллизации и измельче­ние кристаллической структуры за счет легирования элементами - мо­дификаторами, а также элементами, способствующими образованию высоко­температурных вторых фаз при кристаллизации [4]. Снижение склон­ности к трещинообразованию в этом случае достигается за счет пони­жения температуры перехода от жидко - твердого состояния к твердо­му, т.е. понижению верхней границы ТИХ и, таким образом, сужению его, а также снижению температуры начала линейной усадки и уменьше­нию напряжений в шве к моменту завершения кристаллизации [1];

- повышение чистоты сплавов по вредным примесям, способствую­щим образованию при кристаллизации легкоплавких фаз в той области составов, в которой увеличение количества этих фаз снижает техноло­гическую прочность, и, наоборот, увеличение количества легирующих элементов, образующих эвтектики в области составов сплавов, близких к эвтектическим.

Для модифицирования алюминия и его сплавов применяют легкоплавкие составляющие эвтектического типа - медь; тугоплавкие - титан, цирконий, образующие с алюминием при небольших концентрациях химические соединения TiAl3 и ZrAl3, которые крис­таллизуются раньше основного металла [2].

Введение легирующих и модифицирующих добавок в металл свароч­ной ванны возможно не только с помощью присадочной проволоки, но и за счет предварительно нанесенных слоев, применения прослоек и т.д. Так, при сварке алюминия и его сплавов импульсным Nd - ИАГ-лазером на примере приварки крышки к корпусу интегральной схемы применяли предварительное покрытие поверхностей свариваемых элементов слоем Ni. Металл шва содержал 1,5 - 10% Ni, для чего толщина слоя покрытия должна быть 2,5 - 10 мкм..

Металлургические пути борьбы с горячими трещинами при сварке являются основными. Более доступными методами предотвращения тре­щин являются технологические и конструктивные. Конструктивные меро­приятия сводятся к уменьшению жесткости узлов и их рациональному конструированию, благоприятному расположению швов, выбору оптималь­ной формы разделки кромок и пр. В условиях импульсной лазерной сварки наиболее благоприятны против образования горячих трещин отбортовочные соединения, при ко­торых уменьшается жесткость конструкции, снижается концентрация на­пряжений в стыке по сравнению со стыковой конструкцией сое­динения. Наиболее эффективным технологическим мероприятием по повышению стойкости металла шва против образования горячих трещин является предварительный нагрев. Однако, при аргонодугой сварке алюминия и его сплавов системы Аl - Mn, Аl - Мg, подогрев не предотвращает образование трещин, т.к. способствует увеличению размеров кристал­литов. Воздействие технологических и конструктивных факторов на образование горячих трещин более полно изучено в связи с их влиянием на форму сварочной ванны, определяющую характер макроскопического строения металла шва. Нельзя допускать, чтобы кристаллиты росли навстречу друг другу, т.к. вероятность образования трещин максимальная.

1.3 Окисные пленки являются причиной образования кристаллизационных трещин. Для разрушения окисных пленок на торцевых поверхностях свариваемых кромок и образования общей сварочной ванны необходимо создать условия для движения металла, обеспечивающего деформацию и дробление пленок в процессе перемешивания. Это возможно при наличии зазора между кромками или достаточно глубокой канавки в подкладке /12/. Для уменьшения окисных включений в швах рекомендуется предварительная обработка поверхности кромок с помощью шабрения, полирования и травления.

При сварке кромок с отбортовкой кромок при частичном оплавлении отбортовки условия для течения металла, деформации и разрушения окисной пленки неблагоприятны. Появление включений окисных пленок в ме­талле швов неизбежно. Для лучшего течения металла рекомендуется из­менение геометрии кромок, а нанесение флюсов на торцы деталей спо­собствует разрушению и растворению окисной пленки под действием хи­мических реакций.

При световой сварке ксеноновыми лам­пами отмечается применение для разрушения окисной пленки алюминия слоя графита. В условиях световой сварки слой графита обеспечивает большую по­глощательную способность излучения и, соответственно, большую глу­бину проплав

8.2 Магниевые сплавы содержат в качестве легирующих добавок в основном алюминий, цинк и марганец, а также ряд других элементов. По сродству к кислороду магний стоит на одном из первых мест, что создает большие трудности при его сварке. Оксидные соединения магния загрязняют металл шва, снижая его механические свойства. По свариваемости магниевые сплавы значительно уступают сплавам на основе алюминия из-за склонности к образованию горячих трещин. Объясняется это тем, что в условиях быстрого охлаждения сварного шва и неравновесной кристаллизации появляются эвтектические составляющие, отличающиеся по составу от равновесных. Эти

составляющие располагаются по границам зерен, заметно снижая трещиностойкость. Склонность магния к образованию крупнозернистой структуры

металла шва усиливает эти процессы.

8.3. Свариваемость сплавов титана

Металл Ti относится к четвертой группе периодической системы элементов. Атомный номер 22, атомная масса 47,9. Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную α с гексагональной плотноупакованной решеткой, существующую при температурных ниже 882 СС, и высокотемпе­ратурную β с объемноцентрированной кубической решеткой, существующей при температурах вплоть до точки плавления. Температура полиморфного превращения титана α**β в равновесных условиях равна 882,5"С [1].

При рассмотрении вопросов свариваемости Ti необходимо учитывать следующие особенности его физических свойств. Титан обладает весьма вы­сокой температурой плавления (1668°С) и кипения (3260°С). Скрытая теплота плавления, а также испарения Ti почти в два раза больше, чем у Fe, поэтому расплавление Ti требует больших затрат энергии. По удель­ной теплоемкости Ti занимает промежуточное место между Al и Fe.

Поскольку значение коэффициента теплопроводности Ti в четыре раза меньше, чем для Fe, и в 13 раз меньше, чем для Al, при сварке Ti, во-пер­вых, меньше потерь энергии, чем при сварке стали, а, во-вторых, осуществля­ется весьма концентрированный нагрев при значительном градиенте темпе­ратур. В отдельных случаях это может привести к заметному возрастанию внутренних напряжений, что необходимо учитывать при выборе оптималь­ных режимов сварки конструкций из Ti.

Высокое электросопротивление Ti, превосходящее значение такого же показателя для железа почти в. 6 раз, а для алюминия —■ более чем в 20 раз, необходимо учитывать, например, при выборе контактирующих устройств для сварки' плавлением с использованием присадочной проволоки.

Механические свойства технически чистого Ti невысоки (табл. 25.1) и повышаются в основном за счет легирования.

В химическом отношении Ti — весьма активный металл при высоких температурах, особенно в расплавленном состоянии. При комнатной темпе­ратуре устойчив против окисления. Титан обладает высоким сопротивле­нием коррозии во многих агрессивных средах. Преимущество его перед другими коррозионностойкими материалами в практически полном отсут­ствии язвенной и межзеренной коррозии.

Наиболее широко сплавы титана используются в сварных конструкциях. Легирующие элементы в значительной степени влияют на температуру охрупчивает титан при содержании более 0,2%. Водород — вредная примесь в титановых сплавах, приводящая к охрупчиванию.

Перед сваркой с поверхности титана необходимо убирать газонасы­щенную пленку, иначе на поверхности может остаться альфированный слой. Сохранение такого слоя недопустимо, так как переход газов из слоя в шов вызывает его охрупчивание.

Обязательным условием получения качественного сварного со­единения является надежная защита от газов атмосферы. Насы­щение металла шва кислородом, азотом и водородом происхо­дит при температурах более 350 °С. Это резко снижает пластич­ность и длительную прочность сварных конструкций. Сварку не­обходимо производить в среде защитных газов (аргона или гелия) высокой частоты, под специальными флюсами или в ва­кууме. Защитные средства должны обеспечивать защиту зоны сварки, ограниченной изотермой более 350 °С. Необходимо также тщательно защищать и обратную сторону шва даже в том слу­чае, если слои металла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры.

Титан и его сплавы не склонны к образованию кристаллиза­ционных (горячих) трещин в металле шва. Наиболее распро­страненными дефектами являются поры и холодные трещины. Поры в сварных соединениях чаще всего располагаются в виде цепочки по зоне сплавления. Они снижают статическую и дина­мическую прочность соединений. Образование пор может быть связано с попаданием водорода в шов вместе с адсорбирован­ной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свари­ваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Для получения беспористых швов необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов, сварку выполнять на оптимальных режимах с соблюдением всех тре­бований технологических процессов.