08.02.2017

В настоящее время важнейшим технологическим процессом изготовления конструкций является сварка. Поэтому одним из основных свойств алюминиевых сплавов стала их свариваемость.
Сварные конструкции из алюминия и его сплавов находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Трудно найти отрасль техники, где не применяли бы сварные алюминиевые детали.
Особенно широкие возможности раскрываются для сварки деталей большой толщины при применении разработанного в Институте электросварки им. Е.О. Патона (ИЭС) метода электрошлаковой сварки алюминия.
Для изделий, изготовляемых методами сварки плавлением, наибольшее применение получили термически неупрочняемые сплавы системы Al—Mg, обладающие хорошей свариваемостью. Однако в ряде случаев они не удовлетворяют конструкторов из-за сравнительно малого предела текучести.
В связи с растущими требованиями к прочности и технологичности сварных конструкций возникла необходимость в разработке новых свариваемых алюминиевых сплавов. Перспективными в этом отношении явились сплавы системы Al—Zn—Mg, которые обладают рядом положительных свойств: самозакаливаемостью, способностью к работе при криогенных температурах, удовлетворительной коррозионной стойкостью. Эти свойства делают их более перспективными для применения в сварных конструкциях, чем сплавы системы Al—Mg.
Однако неоднократные попытки применить сплавы системы Al—Alg—Zn в широких масштабах не всегда приводили к желаемым результатам, потому что сплавы этой системы, особенно с высоким содержанием цинка и магния, обладают повышенной склонностью к кристаллизационным трещинам при сварке, а сварные соединения из этих сплавов — невысокой коррозионной стойкостью под напряжением.
Алюминий и его сплавы в отличие от стали обладают рядом свойств, которые оказывают значительное влияние на свариваемость изделий из этих сплавов. Это — склонность к порообразованию, высокая теплопроводность — λ = 0,4 кал/(см.*с*град), высокая степень сродства к кислороду и образование стойкой пленки Al2O3, покрывающей поверхность деталей; значительное превышение температуры плавления окисной пленки (2050° С) над температурой плавления алюминия (~660°С); высокий коэффициент линейного расширения, — α = (22^24)*10в-6 1/град; склонность многих сплавов к образованию горячих и холодных трещин; превышение плотности окисной пленки над плотностью самого металла, снижение прочностных свойств сварного соединения по сравнению с основным металлом; внезапный переход из твердого состояния в жидкое при нагреве; высокая поглощаемость водорода при сварке и т. д.
Повышенная склонность алюминиевых сплавов к парообразованию является одним из главных затруднений на пути к получению высококачественных сварных соединений. Поэтому в России и за рубежом проводятся работы по выяснению причин возникновения пористости и разработке методов их предупреждения.
Основной причиной пористости в алюминиевых сплавах является присутствие в них водорода. 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 степени удаления продуктов травления, способа сварки, параметров сварки, вида переноса капель металла и других факторов.
Основным источником насыщения металла шва атомарным водородом служит влага, адсорбированная окисной пленкой на поверхности сварочной проволоки и свариваемых кромок.
Различают газовые поры, имеющие сферическую форму, II усадочные, не имеющие определенной формы и располагающиеся по границам зерен.
Иногда для уменьшения пористости применяют подогрев деталей перед сваркой, что увеличивает пребываниe металла в жидком состоянии и таким образом облегчает удаление из него растворенных газов. Температуру подогрева назначают в зависимости от типа свариваемого алюминиевого сплава. Так, при сварке сплавов системы Al—Mg подогрев до температуры выше 100—150° С может привести не к уменьшению, а к увеличению пористости, так как в этих сплавах пленка окиси магния, образующаяся на поверхности расплавленного металла, слабо защищает жидкий металл от воздействия влаги.
Для уменьшения пористости целесообразно применять многодуговую сварку термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, так как это приводит к увеличению продолжительности существования жидкой ванны.
Уменьшение пористости сварных швов возможно также путем наложения ультразвуковых колебаний на жидкий и кристаллизующийся металл сварочной ванны, которые облегчают выход водорода из ванн и ограничивают возможность образования крупных пор. Однако применение ультразвука существенно усложняет технологический процесс сварки и условия работы обслуживающего персонала.
При сварке алюминиевых сплавов существенные затруднения возникают в связи с необходимостью удаления окисной пленки с поверхности свариваемых кромок. При взаимодействии с кислородом алюминий образует устойчивый окисел Al2O3. Окисная пленка, покрывающая поверхность деталей, надежно защищает их от дальнейшего окисления. Пленка обладает хорошими защитными свойствами до 680—720° С; при дальнейшем повышении температуры толщина окисного слоя увеличивается, а ее защитные свойства ухудшаются.
Поверхность алюминия наиболее активно окисляется в первые часы после очистки. Поэтому при изготовлении особо ответственных изделий время от момента снятия окисной пленки до момента начала сварки следует ограничивать. Будучи более плотной, чем основной металл, окисная пленка опускается на дно сварочной ванны и часто остается в шве. Окисная пленка малопластична. Попав в сварной шов, она может стать местом возникновения неплотности или началом разрушения. Для удаления окисной пленки применяют химические и механические методы.
Сварные соединения
Сварные соединения
Сварные соединения

Склонность алюминиевых сплавов к образованию трещин существенно затрудняет их сварку. В одних сплавах образуются в период кристаллизации металла сварочной ванны горячие трещины, в других — холодные трещины, обнаруживаемые иногда спустя несколько месяцев после сварки. Горячие трещины выделить несколько проще, чем холодные, так как все сварные швы при изготовлении конструкций подвергают различным методам контроля. Холодные же трещины возникают в конструкциях, находящихся в эксплуатации или на хранении как бездефектные, а поэтому особенно опасны. Разрушения от холодных трещин наступают неожиданно. В некоторых случаях растрескивание протекает в коррозионной среде. Поэтому все алюминиевые сплавы, прежде чем использовать для изготовления конструкций, необходимо тщательно исследовать на склонность к образованию горячих и холодных трещин.
Склонность алюминиевых сплавов к образованию трещин повышается с увеличением в них количества легирующих элементов, с повышением прочности сплавов.
Сварные соединения
Сварные соединения
Сварные соединения

Как за рубежом, так и в России, не имеется достаточных данных о свариваемости разноименных деформируемых и литейных алюминиевых сплавов. Приведенные в табл. 50—52 данные, хотя и не отражают всесторонних свойств сварных соединений разноименных сплавов, па основании которых можно было бы рекомендовать определенное сочетание сплавов для практического применения в различных конструкциях однако могут облегчить выбор материалов при разработке лито-сварных конструкций.
Известно, что в зависимости от температурного градиента, возникающего при сварке, металл может закаливаться, отпускаться, искусственно и естественно стареть, и, таким образом, сварка может существенно повлиять на коррозионную стойкость сплавов. При неблагоприятных условиях термического воздействия в процессе сварки упрочняющие фазы могут выделяться по границам зерен, сообщая сплаву склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Особенно большое влияние термическое воздействие при сварке может оказать па коррозионную стойкость сварных соединений из упрочняемых алюминиевых сплавов систем Al—Mg и Al—Zn—Mg. Выделяющиеся при естественном старении упрочняющие фазы в этих сплавах обычно переводят в твердый раствор путем гомогенизации (закалки) и затем для сплавов системы Al—Zn—Mg дополнительно осуществляют искусственное старение.
В результате нагрева при сварке термически упрочняемых сплавов интерметаллические соединения — упрочняющие фазы, введенные в твердый раствор при термической обработке, могут снова выделяться по границам зерен. Возникающая электрохимическая неоднородность сварного соединения сплава в морской воде может привести к быстрым коррозионным разрушениям анодных участков поверхности.
Для оценки коррозионной стойкости сварных соединений в работе проводились ускоренные коррозионные испытания сварных соединений сплавов в синтетической морской воде, движущейся со скоростью 10 м/с, и стендовые коррозионные испытания сварных соединений при погружении в море. Исследованию подвергались сварные соединения следующих алюминиевых сплавов, нашедших применение в судостроении: АМг5, АМг6, АМг61, АЛ28; K-1; К-2 (система Al—Zn—Mg); АЛ9, АЛ2. Сварку вели аргоно-дуговым способом в соответствии с технологией, принятой в судостроении.
Пластины алюминиевых сплавов толщиной 2—15 мм сваривали ручным способом неплавящимся электродом: в качестве присадки использовали проволоку из свариваемого материала или проволоку Св.АМг61. Кроме того, сплавы различных систем, например АМг61 и К-1, а также АМг61 и К-2, сваривали между собой; в качестве присадки применяли проволоку Св.АМг61.
Для исследований применяли синтетическую морскую воду состава, г/л: 26,518NaCi; 2,447MgCl2*6Н2О; 6,765MgS04*6H20; 2,252CaCl2*6Н2О; 0,725КС1; 0,202КНСО3; 0,083NaBr; pH воды 8,0—8,2; концентрация растворенного кислорода 7,5—8,0 мг/л.
Исследования коррозионной стойкости сварных соединений в лабораторных условиях проводили на специальной установке при скорости движения воды 10 м/с и температуре 30+1° С. Продолжительность испытаний составляла 200 и 1000 ч.
Стендовые коррозионные испытания проводили в Черном и Каспийском морях. Образцы размерами 250х350х15 MM и 250х250х5 мм устанавливали на специальные рамы и погружали в море на глубину 2—3 м. Срок стендовых испытаний был принят от 1 до 3 лет.
Сварные соединения

На основе измерений потенциала сварных соединений сплавов в морской воде определено, что на сплавах системы Al—Mg: АМг5, АМг6, АМг61, АЛ28, не упрочняемых термической обработкой, значение стационарного потенциала во всех точках сварного соединения примерно одинаково, независимо от способа и режима сварки. Судя по потенциалу, металл сварного шва несколько благороднее, чем свариваемый металл. Это дает основание полагать, что зона термического влияния и сварной шов на этих сплавах не являются анодами по отношению к основному металлу
Результаты лабораторных и стендовых коррозионных испытаний (табл. 53 и 54) показали, что сварные швы и зона термического влияния на испытанных сплавах этой же системы Al—Mg равностойки с основным металлом.
Потенциал сварных соединений силуминов (АЛ2, АЛ9) в морской воде был приблизительно одинаков на сварном шве, в зоне термического влияния и на основном металле независимо от марки присадки (АК5, АМг61) и режима сварки.
Термическая обработка сплава АЛ9 до сварки (435° С, 2 ч; 535° С, 10 ч и старение при 150° С, 6 ч) не повлияла на потенциал зоны термического влияния по сравнению с основным металлом.
Структура высокопрочных сплавов K-1 и К-2 системы Al—Zn—Мg состоит из твердого раствора а и двух анодных упрочняющих фаз MgZn2 и Al2Zn3Mg3. При естественном старении сплавов анодные фазы выделяются по границам зерен, а прилегающие к ним участки обедняются легирующими компонентами. Высокая температура при сварке вызывает повторное закаливание сплава в зоне термического влияния, вслед за которым происходит естественное старение зоны. Таким образом, границы зерен становятся анодными по отношению к прилегающим к ним участкам, а зона термического влияния — опасной в коррозионном отношении. Результаты изучения микроструктуры сплава подтвердили высказанное положение.
Сварные соединения

Результаты лабораторных и стендовых коррозионных испытаний показали также, что зона термического влияния на этих сплавах подвергается коррозии в первую очередь. Так, через 200 ч коррозионных испытаний в движущейся морской воде максимальная глубина коррозии на сплаве K-1 составила 0,46 мм (см. табл. 53). Коррозионные поражения на деформируемом сплаве K-1 носили характер коррозионного расслаивания. Ввиду того что границы зерен на деформируемых сплавах при прокатке имели вытянутую в сторону прокатки форму, коррозия происходила в плоскостях, параллельных направлению прокатки. Образовавшиеся продукты коррозии вследствие большого объема расширяли и раздвигали соседниe слои металла, вследствие чего на сплаве K-1 в зоне термического влияния имела место слоистая коррозия. На литейном сплаве К-2 в зоне термического влияния была обнаружена межкристаллитная коррозия.
Очевидно, что повторный нагрев металла, т. е. создание условий для искусственного старения зоны термического влияния на упрочняемых сплавах K-1 и К-2, должен уменьшить или предотвратить коррозию металла в зоне термического влияния.
Лабораторные и стендовые коррозионные испытания сварных соединений сплавов системы Al—Zn—Mg после термической обработки показали, что избирательная коррозия металла в зоне термического влияния отсутствует.
Ниже приведены результаты исследования свойств сварных соединений высокопрочного литейного силумина ВАЛ5 и деформируемого сплава AМг6.
Механические свойства сварных образцов после термической обработки:
Сварные соединения

Пневмогерметичность сварных соединений ВАЛ54+ВАЛ5 и ВАЛ5+АМг6 составила 40—60 ат; коррозионная стойкость соответствовала группе III по ГОСТ 5272—50 (стойкие).
На основании приведенных данных следует считать, что прочность сварных соединений ВАЛ5+ВАЛ5 и ВАЛ5+АМг6 довольно высока; пневмогерметичность и коррозионная стойкость сварных соединений достигаются в результате высококачественной АДЭС с применением в качестве присадочного материала проволоки AK (ГОСТ 7871—63) для соединений ВАЛ5+ВАЛ5 и проволоки АМг6 (ГОСТ 7871—63) для соединений ВАЛ5+АМг6. Очень важно, что эти сварные соединения не склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением.