Современные технологии сварки плавлением алюминиевых сплавов


В. В. Овчинников, А. И. Лопаткин









                СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ





Учебник












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.791
ББК 34.641
     0-35















    Овчинников, В. В.
0-35   Современные технологии сварки плавлением алюминиевых спла     вов : учебник / В. В. Овчинников, А. И. Лопаткин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 372 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0453-2


     Представлены сведения о современных алюминиевых сплавах и их свойствах. Рассмотрены процессы, протекающие при сварке конструкций из алюминиевых сплавов, показано влияние параметров режима сварки на формирование и размеры швов. Предложены рекомендации по выбору режимов и даны основы технологии сварки плавлением алюминиевых сплавов.
     Для студентов вузов машиностроительных специальностей, а также инженерно-технических работников.
УДК 621.791
ББК 34.641







ISBN 978-5-9729-0453-2

     © Овчинников В. В., Лопаткин А. И., 2020
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

        ВВЕДЕНИЕ

     Алюминий и его сплавы приобретают все более широкое применение в промышленности и строительстве.
     Со времени создания первого отечественного цельнометаллического самолета из дуралюмина и по сей день алюминиевые сплавы - один из доминирующих конструкционных материалов в авиастроении. Из алюминиевых сплавов изготавливают силовые элементы, обшивку, а также топливные и масляные баки. Неоднократно предпринимались попытки заменить в летательных аппаратах алюминиевые сплавы другими материалами - титановыми, композитными сплавами и др. Однако алюминиевые сплавы продолжают широко использоваться в конструкциях ракет и искусственных спутников. Из них изготавливают обшивку и силовой набор для автобусов, корпуса пассажирских и грузовых вагонов для сыпучих материалов. Большие преимущества дает применение алюминиевых сплавов в скоростных поездах.
     Свыше 40 лет на железнодорожных магистралях курсируют сварные алюминиевые цистерны емкостью более 30 м³ для сжиженного кислорода, горючих газов, химических веществ (пероксида водорода, крепкой азотной кислоты), а также для пищевых продуктов. Для той же цели при перевозках по шоссейным дорогам используют автоцистерны различной емкости. Большую выгоду сулит применение алюминиевых сплавов в вагонах метрополитена, где движение поездов происходит с частыми остановками. Применение алюминиевых сплавов позволяет снизить массу кузова вагона на 3,5-6 т.
     Алюминиевые сплавы все шире используют в судостроении как в цель-ноалюминиевых судах, так и в надстройках стальных судов. Применение их в надстройках помимо общей экономии массы позволяет увеличит курсовую устойчивость и на 20-25 %, повысить скорость движения судов. Существенное преимущество алюминиевых сплавов по сравнению со сталью - высокая коррозионная стойкость в морской воде. Алюминиевые корпуса не обрастают ракушками, что сохраняет обтекаемость, увеличивает оборачиваемость и межремонтный период, снижает расходы на эксплуатацию и покраску.
     Перспективно использование алюминиевых сплавов в автомобилестроении, так как оно позволяет экономить горючее. Алюминиевые бамперы, капоты и навесные детали уже применяются на легковых автомобилях. Выгодно

3

Овчинников В. В., Лопаткин А. И.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

применять алюминиевые сплавы также в узлах грузовых автомобилей. Хотя алюминиевые сплавы в 4-6 раз дороже стали, а изготовление деталей из них обходится на 20-30 % дороже стальных, применение 1 кг алюминия позволяет уменьшить массу автомобиля на 2,25 кг.
      Из алюминия делают теплообменники для получения сжиженных газов, а также промышленные и бытовые холодильники. Высокая электропроводность металла обусловливает использование его для массивных проводников электрического тока в электролизной промышленности, для воздушных линий, оболочек кабелей, шин распределительных устройств и пр. Алюминиевые сплавы находят применение в атомных реакторах, работающих на тепловых нейтронах. Здесь нужны металлы, слабо поглощающие нейтроны. Алюминиевые сплавы успешно используют в строительстве. Из алюминиевых сплавов сделаны многие элементы высотных зданий, гофрированные потолки, перила, сварные оконные проемы, интерьеры.
      Применению алюминиевых сплавов способствует также то, что объем их выпуска растет ускоренными темпами по сравнению со сталью. Производство большей части упомянутых изделий и конструкций, за небольшим исключением, немыслимо без сварки и в особенности сварки плавлением. Почти все известные способы сварки плавлением стали (ацетиленокислородная, дуговая с защитой флюсами или инертными газами, электронным лучом в вакууме) были апробированы и модернизированы для сварки алюминия. Однако долевое участие того или иного процесса при сварке алюминия оказалось существенно иным по сравнению со сталью. Так, большой объем стальных конструкций изготавливается с помощью ручной дуговой сварки покрытыми электродами, а в производстве аналогичных алюминиевых изделий применение покрытых электродов сократилось из-за более низкого качества металла шва. Выбор способа и оптимального процесса прежде всего зависит от степени разработки различных сторон металлургии сварки. К ним относятся особенности плавления основного и присадочного металлов, взаимодействие жидкого металла с окружающей средой, образование и предотвращение дефектов в металле шва (пор, трещин и т. п.), свойства сварных соединений. Без решения этих задач нельзя обеспечить получение плотных швов, обладающих достаточной коррозионной стойкостью и необходимыми механическими характеристиками на уровне свариваемого материала.
      Однако, несмотря на достигнутые успехи, среди исследователей все еще сохраняются значительные разногласия по ряду вопросов металлургии,

4

ВВЕДЕНИЕ


например по механизму образования пор и горячих (кристаллизационных) трещин. Остается недостаточно ясной роль пластичности металла в интервале хрупкости. Нет единого представления о температуре начала образования такого рода дефектов. В большой мере это связано с трудностями изучения быстротечных явлений при высоких температурах. Поэтому продолжение работ в области металлургии сварки алюминия и его сплавов остается актуальной задачей и в настоящее время.
     После изложения материалов, представленных в учебнике, студент должен:
     знать:
     •  теоретические и практические основы технологических процессов создания сварных соединений и конструкций способами сварки плавлением;

     уметь:
     •  анализировать и оценивать эффективность применения различных способов сварки плавлением при создании сварных конструкций из алюминиевых сплавов;

     владеть:
     •  методами и подходами к формированию мероприятий и разработке предложений по повышению уровня свойств сварных соединений различных алюминиевых сплавов.

     Учебник рассчитан на читателей, знакомых с технологией и оборудованием сварки плавлением, поэтому ряд положений дается без подробного пояснения.


5

        Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1.1. Основные виды термической обработки алюминиевых сплавов

     Термическая обработка слитков и деформированных полуфабрикатов оказывает существенное воздействие на их структуру и свойства. Большое разнообразие структур, которые могут быть получены в алюминиевых сплавах после различной термообработки, есть результат различной степени отклонения сплавов от термодинамически равновесного состояния при комнатной температуре.
     Равновесная структура промышленных алюминиевых сплавов, суммарное содержание легирующих компонентов в которых, за редким исключением, не превышает 15-18 %, представляет собой твердый раствор с низким содержанием легирующих компонентов (десятые доли процента) с включениями интерме-таллидных фаз Al₂Cu, Al₂CuMg, MgZn₂, Mg₂Si и т. д.
     При таком фазовом составе сплавы, как правило, обладают низкой прочностью и очень высокой пластичностью. Самой неустойчивой при комнатной температуре структурой в алюминиевых сплавах, имеющих фазовые превращения в твердом состоянии (термически упрочняемых сплавах), является пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в алюминии, концентрация которых может в десятки раз превышать равновесную. При такой структуре алюминиевые сплавы также пластичны, но значительно прочнее, чем в равновесном состоянии.
     Для достижения максимальной прочности термически упрочняемых сплавов необходимо за счет регламентированных нагревов получить некоторую промежуточную структуру, которая соответствует начальным стадиям распада пересыщенного твердого раствора.
     Для алюминиевых сплавов широкое распространение в металлургическом производстве получили три основных вида термообработки: отжиг, закалка, старение [1].
     Отжиг. Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяется в тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное состояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаще всего пониженной пластичности.

6

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

     Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены три разновидности неравновесных состояний:
     1. Неравновесное состояние, свойственное литым сплавам. Скорость охлаждения сплавов при кристаллизации слитков значительно превышает скорости охлаждения, необходимые для равновесной кристаллизации. Особенности литой структуры деформируемых алюминиевых сплавов, в частности неравновесная эвтектика по границам дендритных ячеек в виде почти непрерывных ободков интерметаллидных фаз, обусловливают пониженную пластичность слитков, особенно из высокопрочных (высоколегированных) сплавов, а отсюда трудности их деформирования.
     2. Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией, особенно холодной.
     3. Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей упрочняющей обработки (закалки и старения). Основная особенность такого состояния - присутствие в сплаве более или менее пересыщенного (легирующими компонентами) твердого раствора с дисперсными выделениями интерметаллидных фаз. Между этим неравновесным состоянием и двумя вышерассмотренными имеется принципиальное различие: оно может быть получено только в сплавах, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии, т. е. в термически упрочняемых сплавах, в то время как два других состояния наблюдаются и в сплавах без фазовых превращений в твердом состоянии, и в сплавах с такими превращениями.
     В соответствии с тремя рассмотренными выше разновидностями неравновесных состояний, различают три разновидности отжига:
     • гомогенизирующий отжиг слитка, или гомогенизация;
     • рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг деформированных изделий после обработки давлением;
     • гетерогенизационный отжиг, как правило, термически упрочненных полуфабрикатов (дораспад пересыщенного твердого раствора и коагуляция выделившихся интерметаллидов) с целью разупрочнения.
     Гомогенизация - разновидность отжига, которая применяется при производстве деформированных полуфабрикатов. Гомогенизация слитка является первым этапом термической обработки в технологическом процессе.

7

Овчинников В. В., Лопаткин А. И. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

     Слиток с неоднородной, термодинамически неустойчивой структурой подвергают отжигу, в результате которого его структура становится гомогенной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенсифицировать последующую обработку давлением (прессование, прокатку) и уменьшить технологические отходы. Во многих случаях гомогенизация дает возможность также улучшить свойства деформированных полуфабрикатов.
     Рассмотрим сущность гомогенизации и принципы выбора режима гомогенизации на примере двойного сплава Al - 4 % Си (рис. 1.1) [2].

Рис. 1.1. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al-Cu

     Хотя равновесная структура сплава представляет собой обедненный медью твердый раствор и вторичные выделения 0-фазы (Al₂Cu), в слитках в результате неравновесной кристаллизации образуется неравновесная эвтектика, интерметаллидный ободок по границам дендритных ячеек состоит из эвтектических (достаточно грубых) включений 0-фазы (Al₂Cu).
     Если сплав нагреть до температуры выше температуры сольвуса и выдержать при этой температуре, то эвтектические включения 0-фазы (Al₂Cu) растворятся, выравнивается концентрация меди по сечению дендритных ячеек и сплав будет иметь гомогенную однофазную структуру. Температура гомогенизации tгом должна быть выше температуры полного растворения легирующих компонентов в алюминии, т. е. выше 11 на рис. 1.1, но ниже температуры

8

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

равновесного солидуса tсол. При выборе температуры гомогенизации следует учитывать наличие в слитке неравновесной эвтектики, температура плавления которой равна tэв. Если слиток быстро нагреть до температуры выше tэв, то эвтектика расплавится, образовавшаяся жидкость через некоторое время снова закристаллизуется. Тем не менее нагрев при гомогенизации до появления жидкой фазы обычно не допускается, поскольку это сопровождается межзеренным окислением и образованием пористости, что приводит к снижению прочности и особенно пластичности сплавов.
     Таким образом, tгом должна быть ниже tэв, однако во многих случаях для ускорения процесса гомогенизации ее выбирают выше tэв - в этом случае нагрев до температуры tгом должен производиться медленно с тем, чтобы неравновесная эвтектика рассосалась (растворились интерметаллидные эвтектические включения) до достижения температуры tэв.
     Нагрев и выдержка при гомогенизации должны обеспечить полное растворение неравновесных эвтектических включений 0-фазы (Al₂Cu). Выдержка должна быть тем больше, чем грубее эти включения, величина которых зависит от скорости кристаллизации при литье. В общем случае выдержка при гомогенизации зависит от коэффициента диффузии компонентов, содержащихся в растворенной фазе.
     Температура гомогенизации для промышленных алюминиевых сплавов колеблется в пределах от 450 до 560 °C, а выдержка - от 4 до 36 ч. Выдержка выбирается экспериментально.
     Гомогенизация не должна быть излишне длительной, длительная гомогенизация может привести к отрицательным эффектам, например, к образованию вторичной водородной пористости в слитке. Скорость охлаждения при гомогенизации обычно не регламентируют, слитки охлаждают с печью или на воздухе. При таком сравнительно медленном охлаждении растворенные легирующие компоненты снова выделяются из твердого раствора в виде вторичных интерметаллических кристаллов. Однако эти кристаллы гораздо меньше имевшихся до гомогенизации эвтектических включений и более равномерно распределены, поэтому пластичность сплава остается достаточно высокой.
     Изложенная на примере сплавов Al-Cu сущность процесса гомогенизации может быть распространена и на более сложные алюминиевые сплавы. Отличие этих сплавов от двойных сплавов Al-Cu заключается лишь в том, что в результате дендритной ликвации у сложных сплавов в литом состоянии твердый раствор неоднороден не только по содержанию меди, но и по содержанию других

9

Овчинников В. В., Лопаткин А. И. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

компонентов (Mg, Zn, Si, Li), а по границам дендритных ячеек залегает не двойная (или не только двойная) эвтектика а + 0 (A^Cu), а более сложные неравновесные эвтектики, и при гомогенизации происходит растворение различных интерметаллидных фаз.
     В том случае, когда в сплавах содержатся, наряду с одним или несколькими вышеупомянутыми основными компонентами, добавки переходных металлов (Mn, Cr, Zr), структурные превращения, происходящие при гомогенизации, усложняются.
     На вычерченных в одном масштабе кривых изменения растворимости меди, магния и марганца в алюминии в зависимости от температуры (рис. 1.2) видно, что при температурах гомогенизации растворимость меди, магния и других основных легирующих компонентов (Zn, Li, Si) велика, а растворимость марганца мала, поэтому в процессе выдержки при этих температурах медные, магниевые, литиевые, кремниевые интерметаллиды растворяются. Вместе с тем из твердого раствора выделяются марганцевые (хромовые, циркониевые) интерметаллиды, являющиеся продуктами распада пересыщенного твердого раствора, образовавшегося при кристаллизации.

Рис. 1.2. Кривые растворимости меди, магния и марганца в алюминии:
А - интервал температур гомогенизации

     На рис. 1.3 показано влияние марганца на микроструктуру литого сплава Д16 после гомогенизации. Видно, что в процессе гомогенизации сплава с Mn,

10