Пористость при сварке алюминия

Дефекты при сварке алюминия

Сообщение об ошибке

При дуговой сварке алюминиевых сплавов в среде инертных газов встречаются различные дефекты: газовая пористость (

48%), оксидные плены (

32%), вольфрамовые включения (

12%), трещины, несплавления и смещение кромок и др.

Кристаллизационные (горячие) трещины, окисные пленки, непровар, несплавление, обнаруженные в сварном соединении, подлежат обязательному устранению. Что касается пор, вольфрамовых включений, раковин и других дефектов, то они допускаются без исправления конструкции в определенном количестве и объеме. Дефекты, выходящие по размерам и количеству из нормы, подлежат исправлению методом подварки. Суммарная длина дефектных участков, подлежащих подварке, не должна превышать 20 % длины шва (но не более 300 мм) для сварных соединений I категории и для II категории — 30 % (но не более 400 мм). Длина единичного дефектного участка не должна превышать 60 мм при расстоянии между ними не менее 100 мм (I категория) и 80 мм (II категория).

Сопротивляемость горячим трещинам.

При сварке сплавов Аl-Mg, Аl-Си, Аl-Zn и Al-Si установлена повышенная склонность к трещинообразованию на сплавах с максимальным эффективным интервалом кристаллизации. Металлургические способы уменьшения склонности к трещинам заключаются во введении в основной металл и сварочную проволоку отдельных химических элементов, которые, изменяя эффективный интервал кристаллизации и пластичность металла в твердо-жидком состоянии, оказывают влияние не только на величину горячеломкости металла при сварке, но и позволяют за счет смещения неравновесного солидуса по отношению к равновесному перенести трещину из опасной зоны (зоны сплавления) в наплавленный металл.

Технологические мероприятия по уменьшению трещин в сварном соединении находятся во взаимосвязи с темпом деформации в температурном интервале хрупкости, а также с наличием концентратора напряжений.

Во избежание образования кристаллизационных трещин следует обратить внимание на жесткость стыкуемых деталей. При сварке деталей с резким перепадом толщины необходимо предусматривать со стороны точеных деталей (фланец, шпангоут и др.) полку, длина которой должна составлять 2S (S — толщина стыкуемых деталей в зоне сварки), но не менее 30 мм. Для уменьшения жесткости свариваемых деталей из тонколистового материала (S 40 мкм.

При выполнении соединения в «отбортовку» на сплавах с σв>250 МПа (Амг5, АМг6, Д20 и др.) очень часто на практике в районе гиба наблюдаются микронадрывы, которые являются очагом образования трещины при сварке. Следует избегать соединения «по кромке», так как в них возможно появление несплавления и трещин в корне шва из-за наличия оксидной пленки на поверхности металла. При изготовлении изделий со швами различной протяженности рекомендуется в первую очередь выполнять швы большой протяженности и швы максимального сечения, а затем короткие швы.

Высокая химическая активность Al, Mg и их сплавом с кислородом приводит к образованию на поверхности металла оксидов (Аl2О3, MgO). Толщина пленки при комнатной температуре увеличивается во времени. Оксидные пленки относятся к группе плотных пленок (Аl2О3, γ =4,00; MgO, γ =3,65), которые предохраняют металл от дальнейшего окисления и взаимодействия его с окружающей средой. На поверхности двойных сплавов алюминия с элементами меди, марганца, кремния, железа, цинка образуется оксидная пленка, по структуре аналогичная пленке на чистом алюминии.

По данным А. В. Курдюмова, при содержании в сплаве Mg γ -Al 2 O 4 , при 0,01-0,1 % Mg оксидная пленка состоит из MgAl 2 O 4 и MgO. В оксидной пленке преобладает MgO при содержании магния в алюминиевых сплавах >1 %. Образованием рыхлой оксидной пленки MgO на поверхности магналиевых и магниевых сплавов объясняется их повышенная склонность к образованию пористости при сварке. Введение малых добавок бериллия в сплавы системы Al-Mg снижает окисляемость в десятки раз.

Наличие на поверхности металла тугоплавкой пленки(Тпл Al 2 O 3=2050°С; Тпл MgO =2800°C) с высоким электросопротивлением оказывает отрицательное влияние на стабильность протекания процесса сварки. Оксидная пленка не плавится и не растворяется в жидком металле сварочной ванны. К этому следует добавить, что оксидная пленка активно адсорбирует влагу. При нагреве происходит диссоциация пара с выделением водорода — основного источника пор в сварных швах.

В связи с этим для обеспечения формирования наплавленного металла при сварке необходимо разрушить оксидную пленку. Это достигается за счет катодного распыления при горении сварочной дуги в среде аргона (переменный ток, постоянный ток на обратной полярности) или за счет высокой концентрации тепла при сварке в гелии на постоянном токе прямой полярности.

Многолетняя статистика брака сварных конструкций позволяет установить, что одним из основных дефектов (

48%) при сварке алюминиевых и магниевых сплавов является газовая пористость.

Исследования взаимодействия Аl и Mg с различными газами показали, что наибольшую растворимость в них имеет водород и при некоторых условиях образовывать поры в металле швов. Данные об изменении растворимости водорода в алюминии при различной температуре и давлении находящегося с ним в равновесии молекулярного водорода (Pн2 = 1 ат) приведены на рис. 1.

В реальных условиях сварки парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе дуги ничтожно, мало. Поэтому основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, служит реакция непосредственного взаимодействия влаги c металлом

Читайте также:  Как отличить алюминий кремниевый сплав от алюминий магниевого

В результате протекания этой реакции концентрация атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, достигает больших величин и может соответствовать огромным значениям давления молекулярного водорода, находящегося в равновесии с металлом. Благодаря этому при непосредственном взаимодействии влаги и паров воды с металлом концентрация растворенного в нем водорода может достигать больших значений.

Рис. 1. Изменение растворимости водорода в алюминии в зависимости от температуры при рн = 1 ат

Растворенный в жидком металле водород в связи с понижением растворимости стремится выделиться из него при охлаждении. Пузырьки выделяющегося водорода, не успевая всплыть из ванны, остаются в металле шва, образуя поры. Для возникновения и существования пузырька в жидком металле необходимо, чтобы давление заключенного в нем водорода было больше внешнего давления, оказываемого на пузырек, или равно ему. Но при наличии в жидком металле границ раздела, образованных нерастворимыми взвесями и не смачиваемыми расплавом, зарождение пузырьков становится возможным при небольшой величине перенасыщения.

В промышленных алюминиевых сплавах всегда присутствуют частицы окислов, образующих нерастворимые несмачиваемые взвеси. Поэтому возникновение пузырьков выделяющегося водорода в условиях сварки алюминия при нормальном внешнем давлении (рн = 1 ат) становится возможным.

В процессе кристаллизации металла вероятно перераспределение водорода между закристаллизовавшимся металлом и жидким. Такое перераспределение должно способствовать постепенному увеличению концентрации водорода в незакристаллизовавшейся части ванны и возникновению пузырьков в момент, когда концентрация растворенного в металле водорода станет больше равновесной растворимости водорода. Поэтому исходная концентрация водорода растворенного в металле, при которой возникают пузырьки, может существенно изменяться в зависимости от условий кристаллизации и массы кристаллизующегося металла.

Накопленный в настоящее время опыт показывает, что в условиях сварки алюминия в связи с большими скоростями перемещения фронта дендритов перераспределением водорода между твердым и жидким металлом в процессе кристаллизации можно пренебречь и считать, что концентрация водорода в ванне в процессе ее кристаллизации не изменяется. Возникновение пузырьков водорода в ванне при сварке алюминия при нормальном внешнем давлении (1 ат) становится возможным при концентрации растворенного в металле водорода больше равновесной растворимости водорода. Величина равновесной растворимости водорода уменьшается при охлаждении и достигает в жидком металле при температуре 660° С своего минимального значения (0,69 см 3 /100 г металла).

В связи со сказанным при внешнем давлении рн=1 ат возникновение пузырьков водорода в жидком алюминии можно ожидать при концентрации растворенного в ванне водорода более 0,69 см 3 /100 г металла, что подтверждено экспериментально. Зарождение пузырей при сварке алюминия происходит в период охлаждения металла в наиболее холодных участках ванны, в которых величина концентрация растворенного в металле водорода оказывается больше равновесной растворимости водорода. В связи с большой скоростью роста дендритов всплывание пузырей из ванны затруднено, и влияние условий кристаллизации, ограниченно меняющихся при изменении режимов сварки, на степени пористости швов при сварке алюминия сказывается относительно мало.

Основной мерой борьбы с пористостью при сварке алюминия является снижение концентрации растворенного в нем водорода до предела ниже 0,69-0,7 см 3 /100 г металла. Источник водорода, растворяющегося в металле шва при аргонодуговой сварке, — влага, адсорбированная поверхностью металла и входящая в состав окисной пленки в виде гидратированных окислов. Количество ее определяется состоянием поверхности металла и зависит от предшествующей обработки его перед сваркой.

Основные направления в разработке средств повышения плотности сварного соединения предполагают:

    а) химическую, тепловую и механическую обработку поверхности (химическое травление, прогрев проволоки в аргоне, Т = 250-300°С, шабрение кромок RZ Вольфрамовые включения.

Сварку Al, Mg и их сплавов производят, как правило, не-плавящимся (вольфрамовым) электродом в атмосфере инертного газа. Высокая температура плазмы электрической дуги, достигающая 6 000 — 10 000 К, и высокая плотность тока ( ≈ 10 4 -10 6 А/см 2 ) создают значительные тепловые нагрузки на электрод, работающий в условиях дугового разряда. Снижение дефектности по вольфрамовым включениям в сварном соединении возможно путем повышения эрозионной стойкости вольфрама за счет введения оксидов (оксид лантана или оксид иттрия и др.). Стойкость к токовым нагрузкам вольфрама марки ВЧ меньше, чем у других марок (ВЛ, СВИ, ВИ). Более долговечен в эксплуатации за счет высокой эмиссионной способности вольфрам с оксидом лантана (ВЛ) или оксидом иттрия (ВИ-20, ВИ-30, СВИ-1). Этот вольфрам поддерживает более высокую устойчивость дугового разряда.

Оптимизации технологии сварки способствует уменьшению тепловой перегрузки электрода со стабильной защитой вольфрама от воздействия окружающей среды. Для уменьшения перегрева вольфрама регламентируется продолжительность выполнения сварки. Следует избегать коротких замыканий электрода при сварке, обратив особое внимание на условия выполнения сварного соединения (труднодоступные места, сварка в пространственном положении и т. д.).

Наибольшая стойкость вольфрама при сварке на постоянном токе прямой полярности, меньшая — при переменном токе, минимальная — при постоянном токе обратной полярности. Оптимальный расход газа обеспечивает стабильный процесс горения-дуги и хорошую защиту вольфрама от воздействия окружающего воздуха, а тем самым повышается стойкость вольфрама и уменьшается дефектность в сварных соединениях.

Сварка и свариваемые материалы в трех томах под общей редакцией докт. техн. наук В. Н. Волченко том 1 Свариваемость материалов Под редакцией проф. докт. техн. наук Э. Л. Макарова

Справочник по сварке цветных металлов / Гуревич С. М.; Отв. ред. Замков В. Н.- 2-е изд., перераб. и доп.- Киев; Наук, думка, 1990.- 512 с.

Читайте также:  Полиоксид алюминия что это такое

Технология и оборудование сварки плавлением. Под редакцией Г. Д. Никифорова. Учебник для студентов вузов. М., «Машиностроение», 1978. 327 с. с ил.

Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. акад. Б. Е. Патона. М., «Машиностроение», 1974. 768 с.

Источник

Особенности и трудности сварки алюминия, дефекты, возникающие в швах

Содержание

О некоторых особенностях сварки алюминия мы уже говорили на этой странице. Оксидная плёнка, появляющаяся на поверхности алюминия, не является единственным прептяствием при сварке алюминиевых конструкций. При их сварке, также, могут возникать дефекты, характерные для сварных соединений алюминия.

Пористость при сварке алюминия

При сварке алюминия и его сплавов возникает большая вероятность появления пористости в металле шва. Обусловлено это тем, что жидкий алюминий очень хорошо растворяет водород, присутствующий в зоне сварки. При охлаждении металла, растворимость водорода в нём резко снижается, и водород стремится выделиться из металла. Образуются пузырьки газа, всплывающие в кристаллизующемся металле. Те из них, которые не успели всплыть, образуют поры.

Снизить пористость шва позволяет применение следующих приёмов:

1.Как уже говорилось, тщательная очистка поверхностей от влаги и оксидной плёнки

2. Уменьшение доли присадочного металла в формировании сварного шва

3. Уменьшать удельную поверхность проволоки за счёт увеличения её диаметра (т.к. именно на поверхности металла появляется плёнка, скапливается влага)

4. Увеличивать давление аргона над сварочной ванной. Повышенное давление аргона снижает пористость шва, т.к. при этом повышается растворимость водорода в металле, а, следовательно, уменьшается количество газовых пузырьков.

Горячие и холодные трещины при сварке алюминия

Горячие трещины

Чистый алюминий марок АВ000-АВ00 не склонен образовывать горячие трещины в процессе сварки, но при увеличении содержания кремния в металла, риск образования горячих трещин увеличивается. Для снижения риска возникновения трещин следует снизить содержание кремния в металле шва и оптимизировать соотношение железо-кремний (Fe/Si). При содержании кремния не более 0,35% и при соотношении Fe/Si?0,5, горячие трещины не образуются. Если содержание кремния превышает 0,35%, то соотношение железа-кремний должно быть следующее: Fe/Si?1,0. Также положительно влияют небольшие добавки титана в состав сплава.

Термически упрочняемые сплавы марок АВ, АК6, АКВ также склонны образовывать горячие трещины при сварке. Для уменьшения склонности к горячим трещинам у этих сплавов целесообразно содержание кремния, наоборот, увеличивать и использовать присадки с содержанием Si в пределах 4-6%.

Дюралюминий при сварке очень склонен к образованию горячих трещин. Чтобы предотвратить их появление, необходимо снижать содержание железа и добавить титан в состав сплава.

Холодные трещины

Образование трещин при сварке алюминиевых сплавов зависит от классификации сплава. Термические не упрочняемые сплавы с системами легирования Al-Mn и Al-Mg обладают хорошей свариваемостью и не склонны к образованию холодных трещин.

Алюминиевые термически упрочняемые сплавы склонны к образованию трещин в зоне термического влияния. Для уменьшения риска их возникновения необходимо уменьшить зону металла, нагреваемую до высоких температур (600-850°C). Для этого необходимо применить концентрированные источники тепла и такие режимы сварки, которые позволят вести её на повышенных скоростях. Сварка в среде аргона также позволяет увеличить глубину проплавления и снизить зону нагрева.

Несплавление в корне шва при сваривании алюминия

Несплавление в корне шва — это один из основных дефектов при сварке алюминия неплавящимся электродом. Этот сварочный дефект возникает в том случае, когда силы тока оказывается недостаточно для полного проплавления кромок из-за их сильного окисления при высокотемпературном нагреве.

Чтобы предотвратить несплавление, при сварке корневого шва рекомендуется применять удаляемую подкладку из меди или нержавеющей стали с формирующими канавками глубиной 0,6-1,2мм. Ширина подкладки зависит от свариваемой толщины и составляет 4-10мм.

Если нет возможности применить подкладку, то необходимо защитить корень шва от окисления поддувом инертного газа с обратной стороны, либо выполнить последующую подварку с обратной стороны.

Более полную информацию о дефектах сварных соединений, об их разновидностях и причинах появления вы можете узнать из этой статьи.

Источник

Пористость в сварных соединениях

Повышенная склонность алюминиевых сплавов к порообразо­ванию является одним из главных затруднений на пути полу­чения сварных соединений высокого качества. Некоторые ученые считают, что пористость больше определенного размера при опре­деленном взаимном расположении отдельных пор существенно понижает прочность и пластичность сварных соединений. Поэтому в СССР и за рубежом проводятся работы по выяснению причин возникновения пористости и определению методов их предупреждения. Основной причиной пористости в алюминиевых сплавах является присутствие в них водорода. Кроме водорода, в сварочную ванну возможно попадание азота и кислорода. Азот практически не растворяется в алюминии, а дает нитрид алюминия, переходящий в шлак, и поэтому не ока­зывает существенного влияния на образование пористости. При сварке в защитных газах кислород в сварочную ванну обычно попадает в небольших количествах, так как содержание его в за­щитных газах строго ограничено. Кислород, попадающий в ванну, соединяется с алюминием в окисел А123 и, очевидно, также не влияет на появление пористости в металле шва.

Читайте также:  Гидроксид калия оксид алюминия раствор серной кислоты углерод

Образование пористости зависит от чистоты исходного металла, качества подготовки под сварку поверхности свариваемого и при­садочного материалов, чистоты защитных газов, состава защитной атмосферы, качества травления и полноты удаления продуктов травления, способа сварки, параметров сварки, вида переноса капель металла и других факторов.

Причины и механизм образования пористости исследовали многие советские ученые. Основным источником насы­щения металла шва атомарным водородом является влага, адсор­бированная окисной пленкой на поверхности сварочной про­волоки и свариваемых кромках.

Избыток газообразного водорода в металле объясняется повы­шением растворимости газов, особенно водорода, в жидком алю­минии и скачкообразным уменьшением растворимости его в кри­сталлизующемся металле. Температура сварочной ванны в голов­ной ее части достигает 1600—1700° С, а температура переносимой в столбе дуги капли еще выше; Установлено, что наивысшая растворимость водорода в алюминии имеет место при температуре 2050° С и достигает 20,9 см 3 на 100 г металла, т. е. объем раство­ренного водорода чрезвычайно велик.

По мере остывания сварочной ванны из-за резкого падения растворимости атомарный водород стремится выделиться, но, встречаясь и объединяясь с другими атомами водорода, с центрами кристаллизации и загрязнениями в металле, рекомбинирует в молекулы и образует газовые пузыри. Эти пузыри всплывают, пока позволяет вязкость окружающего металла. Не успевшие всплыть газовые пузыри после кристаллизации металла остаются в нем в виде неплотностей, как правило, сферической формы — газовой пористости.

Кроме газовой пористости, имеющей сферическую форму, различают усадочную пористость, не имеющую определенной формы и располагающуюся по границам зерен.

В некоторых случаях в сварных соединениях из алюминиевых сплавов нарушается герметичность в околошовной зоне. Это явление наблюдается в сварных деталях малой толщины (до 1 мм). В деталях большей толщины негерметичности может не быть, однако в околошовной зоне отмечается вспучивание металла. Исследования показали, что причиной возникновения негерме­тичности в околошовной зоне является междендритная водород­ная микропористость, в некоторых случаях — сквозная. При нагреве сварочной дугой в околошовной зоне частично оплав­ляются границы зерен. Диффундирующий из основного металла к этим границам водород вытесняет расплавленную эвтектику, в результате чего в околошовной зоне образуется пористость, имеющая вид разветвленных каналов. Пористость такого типа опасна, так как часто не выявляется непосредственно после сваркипри контроле сварных швов, а открывается при эксплуатации сварных узлов.

Образованию пористости сварных соединений способствует не только водород, попадающий в сварочную ванну с присадочным материалом, газами и из влаги, адсорбированной поверхностной окисной пленкой, но и водород, растворенный в металле при изготовлении полуфабрикатов. Внутренние напряжения создают направленный поток водорода в растянутые места решетки, и про­грессирующая сегрегация водорода в этих местах может привести к ослаблению сил сцепления и зарождению трещин.

При достаточно высокой температуре или при длительном постоянно действующем напряжении атомы водорода диффунди­руют и выходят из решетки металла к поверхности раздела фаз, микропустот и рекомбинируют в молекулы водорода. Так как молекулы водорода неспособны диффундировать в металле, то в несплошностях возможны высокие давления, которые приводят к образованию не только пустот (пор), но и трещин в кристалли­зующемся металле. Диффундирующий из основного металла водо­род оказывает влияние на образование газовой пористости в ме­талле шва и усадочной пористости по границам оплавленных зерен в околошовной зоне.

По уменьшению пористости сварных соединений разработано много рекомендаций, которые можно разделить на две группы:

1) организационно-технические и технологические;

Ниже приведены основные организационно-технические и тех­нологические рекомендации по уменьшению пористости.

1. Поверхностная окисная пленка на присадочной проволоке и основном металле гигроскопична, поэтому для уменьшения пористости следует тщательно удалять ее перед сваркой.

2. Одной из причин возникновения пористости является нару­шение газовой защиты шва при сварке. Образование турбулентных потоков газа приводит к перемешиванию воздуха с расплавленным металлом и, как следствие, к повышенному его загрязнению. Установлено, что характер потока защитного газа (ламинарность или турбулентность) зависит от расхода газа, скорости истечения, диаметра сопла, вылета вольфрамового электрода, расстояния сопла до изделия и типа сварного соединения. Оптимальные значения этих параметров определяют экспериментально.

3. На увеличение пористости оказывают влияние остатки на поверхности свариваемых и присадочных материалов продук­тов травления NaOH , поэтому необходимо обеспечить тща­тельную промывку деталей и проволоки после травления.

4. Для уменьшения пористости наобходимо повышать чистоту присадочной проволоки. При этом следует стре­миться к относительному уменьшению площади поверхности при­садочной проволоки, т. е. применять присадочную проволоку возможно большего диаметра. Для получения сварных швов высокого качества необходима тщательная подготовка материалов перед сваркой. По методике суммарной оценки качества подготовки материалов к сварке, разработанной в Англии, две пластины размером 25 x 37 мм, толщиной 1,5 мм сваривают по большей стороне аргоно-дуговой сваркой и рассматривают качество металла в изломе.

5. Объем пористости в сварных швах алюминиевых сплавоввозрастает при увеличении выдержки свариваемых кромок и присадочной проволоки после их обработки до момента сварки. Поэтому необходимо предельно сокращать эту выдержку. Проводятся работы по увеличению допустимого времени от подготовки деталей к сварке до сварки.

6. Одним из способов уменьшения пористости является пра­вильный выбор защитных газов. Например, при применении в ка­честве защитной среды смеси Аr+He (65—75% Не по объему) пористость уменьшается. При этом большое зна­чение имеет чистота защитных газов.

Источник

Adblock
detector