|
T
|
  Irc
|
|
|
|
|
|
°С
|
МПа
|
1/°С
|
Вт/(м×град)
|
Кг/м^3
|
Дж/(кг×град)
|
|
20
|
0,75
|
|
|
2470
|
|
|
100
|
|
22,2
|
80
|
|
1070
|
- Температура, при которой получены
данные свойства , [Град] - Модуль упругости первого рода , [МПа]
- Коэффициент температурного
(линейного) расширения (диапазон 20° - T ) , [1/Град]
I -
Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
- Плотность материала , [кг/м3] - Удельная теплоемкость материала (диапазон
20° - T ), [Дж/(кг·град)]
Физические характеристики сплава 1420
На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный
сплав 1420. Он самый легкий (плотность 2,47г/см3), коррозионностойкий,
свариваемый, имеет сравнительно высокую (по сравнению с предыдущими сплавами)
прочность и повышенный модуль упругости (7500 кГ/мм2). Сплав закаливается как
при охлаждении в воде, так и на воздухе. Механические свойства сплава в
процессе старения при 200С не изменяются, что позволяет легко производить
всевозможные технологические операции по деформации в закаленном состоянии.
Этот сплав относится к среднепрочным и широко применяется в сварных
конструкциях, обеспечивая снижение массы до 20-25% при повышении жесткости до
6%. Также из этого сплава изготовляют плиты, панели, профили, прутки, листы (в
состоянии Т1 (см. ниже)). С целью повышения прочностных свойств, особенно
предела текучести, предложены модификации сплава 1420 (1421 и 1423), которые
дополнительно легированы скандием и различаются лишь содержанием магния.
Отечественные сплавы несколько отличаются от соответствующих зарубежных
аналогов по содержанию основных легирующих элементов и дополнительным
комплексным микролегированием. Кстати, за рубежом нет аналога отечественному
сплаву 1420. Это объясняется значительными трудностями при плавке и литье
сплавов системы Al-Mg-Li. Поэтому зарубежные фирмы сосредоточили свои усилия на
разработке и освоении более технологичных, но менее плотных, чем 1420, сплавов
систем Al-Cu-Li и Al-Cu-Li-Mg. В процессе освоения промышленного производства
полуфабрикатов из сплава 1420 у нас были решены сложные технологические
проблемы, характерные и для других алюминий-литиевых сплавов, обусловленные:
присутствием химически активных элементов - лития и магния; высокой степенью
легирования, достигающей 14% (атомное содержание); сильной локализацией
деформации в полосах скольжения и интенсивным упрочнением с резким уменьшением
пластичности при холодной пластической деформации; отсутствием режимов
смягчающего отжига, обеспечивающего разупрочнение и повышение пластичности до
уровня, необходимого для осуществления значительной холодной деформации;
пониженной пластичностью и вязкостью разрушения в высотном направлении
массивных полуфабрикатов.
Большое внимание было уделено таким вопросам:
уменьшение газосодержания в сплаве; повышение чистоты по таким примесям, как
Na, K, Fe, Si; отработка технологии получения полуфабрикатов с
регламентированной микроструктурой, включая листы с ультрамелкозернистой
структурой для сверхпластичной формовки; отработка технологии сварки
плавлением, обеспечивающей высокие ресурсные характеристики. Из
алюмимний-литиевых сплавов изготавливают практически все виды полуфабрикатов -
прессованные, штамповки, плиты, листы. Теперь рассмотрим влияние различных факторов
на свойства промышленных сплавов Al-Li. Работоспособность алюминий-литиевых
сплавов определяется главным образом такими ресурсными характеристиками, как
скорость роста трещины усталости, коэффициент интенсивности напряжений в
вершине трещины (Кс, К1с), малоцикловая усталостная долговечность,
сопротивление коррозионному растрескиванию, расслаивающая и межкристаллитная
коррозия. На уровень указанных свойств большое влияние оказывает ряд факторов.
К наиболее важным факторам относятся:
1. характер зеренной структуры: степень
рекристаллизации, анизотропии формы зерна, наличие и плотность выделений на
границах зерен и субзерен, наличие приграничных зон, свободных от выделений;
2. холодная деформация растяжения между
закалкой и старением полуфабрикатов;
. режим искусственного старения.
3. Свариваемость металлургическая и тепловая
Свариваемость - способность образовывать
неразъемные соединения с
заданным комплексом свойств в условиях принятого
технологического процесса.
.1Металлургическая свариваемость
Металлургическая свариваемость - это поведение
металла в сварочной ванне, изменение свойств металла в результате
взаимодействия с окружающей средой, смачивание и растекание жидкого металла по
поверхности твёрдого, а также кристаллизация металла в условиях процесса
сварки. Оценка металлургической свариваемости необходима для выбора средств
защиты сварочной ванны, а также для анализа металлургической обработки и
процесса кристаллизации сварочной ванны.
.1.1Взаимодействие алюминия и его сплавов с
водородом
Водород в отличие от других газов обладает
способностью растворяться в алюминии и при некоторых условиях образовывать поры
в металле швов. 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 с металлом
в результате протекания этой реакции
концентрация атомарного водорода в поверхности слое атмосферы, контактирующей с
металлом, достигает больших величин и может соответствовать огромным значениям
давления молекулярного водорода, находящегося в равновесии с металлом. В связи
с этим при непосредственном взаимодействии влаги и паров воды с металлом
концентрация растворенного в нем водорода может достигать больших значений.
Растворенный в жидком металле водород в связи с понижением растворимости
стремится выделится 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. Если пренебречь влиянием металлостатического
давления в связи с малой глубиной сварочной ванны и рассматривать процесс
сварки при нормальном внешнем давлении, равном 100 кПа, то для существования
пузырька в жидком металле сварочной ванный должно выполняться следующие
условие:
,
где 
- давление молекулярного водорода в
пузырьке; 
-
поверхностное натяжение на границе газ - металл, r - радиус
пузырька. В промышленном алюминиевом сплаве 1420 всегда присутствует частицы оксидов,
образующих нерастворимые несмачиваемые взвеси. Поэтому возникновение пузырьков
выделяющегося водорода в условиях сварки алюминия при нормальном внешнем
давлении (
) становится
возможным при
Рис. №4 Изменение растворимости
водорода в алюминии в зависимости от температуры.
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 станет
больше 
. 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 перераспределение водорода между твердым и жидким
металлом в процессе кристаллизации можно пренебречь и считать, что концентрация
водорода в ванне в процессе ее кристаллизации не изменяется. Величина уменьшается
при охлаждении и достигает в жидком металле при температуре 660°С своего
минимального значения ( 0,69 см^3 /100г металла ). Зарождение пузырьков при
сварке алюминия происходит в период охлаждения металла в наиболее холодных
участках ванны, в которых величина оказывается больше . В связи с
большой скоростью роста дендритов всплывание пузырьков из ванны затруднено, и
влияние условий кристаллизации, ограниченно меняющихся при изменении режимов
сварки, на степень пористости швов при сварке алюминия сказывается относительно
малодействие алюминия и его сплавов с водородом
.1.2 Взаимодействие алюминия и его
сплавов с кислородом
Характер взаимодействия металлов с
газами в условиях сварки во многом определяет природу пор.
Алюминий обладает большим сродством
к кислороду. Растворимость кислорода в жидком алюминии ничтожно мала (не более
0,0003%) и характерным для процесса взаимодействия алюминия и его сплавов с
кислородом является образование оксидов. Оксид алюминия образует несколько
кристаллический модификаций, существование которых и переход одной в другую
определяется температурой, временем выдержки и составом окружающей среды.
Скорость протекания диффузионных
процессов и химических реакций, определяющих кинетический закон окисления, в
данном случае соизмеримы.
Следует отметить, что температура,
при которой начинается интенсивное химическое взаимодействие металлов с парами
воды, тем ниже, чем больше развита поверхность металла. Термическая прочность
оксида Al2O3 чрезвычайно
велика. Некоторые свойства оксида: температура плавления 2310-2320 К;
температура кипения 2500-3800 К; плотность при температуре плавления 3,01 г/см3,
в жидком состоянии - 2,5 г/см3; теплота плавления 110 кДж/моль,
теплота испарения 485 кДж/моль; плотность при 20˚С 3,96 г/см3;
плотность плёнки (отношение молекулярного объёма плёнки к атомному объёму
металла) 1,25; коэффициент расширения 6,58×10-6 К-1;
электросопротивление 1×107 Ом/см.
Окисление алюминия протекает с
большой скоростью при ничтожно малом парциальном давлении кислорода или
кислородосодержащих сложных газов и с повышением температуры ещё более
возрастает.
На начальном этапе окисления
алюминия формируется компактная аморфная плёнка Al2O3 барьерного
типа, не проницаемая для окружающего воздуха. Дальнейший рост оксидной плёнки
возможен в результате взаимной диффузии катионов металла и анионов кислорода
через слой образовавшегося оксида. Диффузионный этап роста оксида носит
эндотермический характер, т.е. является термоактивируемым процессом.
На практике окисление алюминия
происходит в присутствии влаги, содержание которой в воздухе доходит до 4%. В
этих условиях на поверхность алюминия в первую очередь адсорбируются молекулы
воды, так как, в отличие от неполярных молекул азота, кислорода и водорода, они
являются диполями, обладающими значительно большей адсорбционной способностью.
После физической адсорбции,
характеризующейся слабым взаимодействием сил Ван-дер-Ваальса, начинается вторая
стадия - хемосорбция:
Al + 3Н2О
→ 6Н + Al2O3
Выделяющийся атомарный водород легко
диффундирует в плёнку и решётку
алюминия, где часто ионизируется.
Образующаяся оксидная плёнка обладает высокой адсорбирующей способностью и
адсорбирует на свою поверхность влагу, кислород и другие газы. Далее кислород
диссоциирует на атомы, проникает в неупорядоченную структуру плёнки и может
образовывать с метастабильной фазой Al2O3 и водородом
моногидоксид AlOOH, который в
дальнейшем превращается в тригидроксид Al(OH)3.
Таким образом, при окислении при
температуре 18-20˚С в атмосфере воздуха, содержащего влагу, формируются
тонкие оксидные плёнки защитного типа, имеющие сложный состав
Al2O3→ AlOOH → Al(OH)3.
Дальнейшее окисление алюминия и рост
оксидной плёнки возможны при повышенных температурах в результате диффузии
катионов металла через плёнку к поверхности газ-оксид и, наоборот, диффузии
анионов к границе оксидная плёнка-металл.
Скорость увеличения толщины оксидной
плёнки возрастает с повышением температуры, а переход металла из твёрдого
состояния в жидкое не вызывает изменения в этой тенденции. Поскольку кинетику
окисления определяет диффузия катионов парциальное давление кислорода не должно
существенно влиять на этот процесс.
На состав, структуру и, в целом, на
механизм и кинетику окисления алюминия влияют легирующие элементы в его сплавах
и примеси металлов. В качестве основных легирующих элементов в сплавах
присутствуют медь, магний, марганец, кремний, цинк, литий. В ряде сплавов в
небольших количествах вводят добавки титана, бериллия, хрома, никеля, кадмия,
скандия и др. Суммарное содержание легирующих элементов в деформируемых сплавах
алюминия обычно не превышает 10%.
Такие элементы как магний, бериллий,
литий вследствие более высоких, чем у алюминия, отрицательных энергий
образования оксидов могут окисляться в сплавах алюминия даже при очень малом
содержании. Литий, натрий, магний в жидком алюминии играют роль
поверхностно-активных элементов. Их концентрация в поверхностном слое выше
средней концентрации в расплаве.
Свойства оксидной плёнки на
алюминии, которые имеют большое значение в определении природы и механизма
образования пор при сварке:
. Оксидная плёнка алюминия
отличается высокими защитными свойствами и на определённом этапе окисления
может предотвратить дальнейшее взаимодействие алюминия с газами.
. Оксид алюминия имеет высокую
температуру плавления и в условиях сварки не расплавляется. В связи с этим
поверхностная плёнка сохраняется как внутри объёма сварочной ванны (плёнка,
попавшая в ванну с обратной стороны кромок и их торцовых поверхностей), так и
на её поверхности (плёнка внешней стороны свариваемых кромок), несмотря на
большую плотность, чем плотность жидкого алюминия. В последнем случае плёнка
удерживается на поверхности ванны силами поверхностного натяжения.
. Оксид алюминия не растворяется ни
в твёрдом, ни в жидком металле. Плёнка также отличается высокой механической
прочностью.
. Наличие в сплавах алюминия таких
легирующих элементов как литий и магний, делают оксидную плёнку на алюминии
более адсорбционно-способной и усиливает её роль потенциального источника
газов.
. Важным свойством оксидной плёнки
на алюминии является её высокая адсорбционная способность к парам воды. Водяной
пар, адсорбированный окисленной поверхностью алюминия, удерживается до высоких
температур. Часть влаги имеющейся на поверхности алюминия сохраняется даже
после выдержки металла в вакууме при температуре до 350˚С. Оставшаяся
часть, очевидно, связанная в виде гидрата и находящаяся в глубоких
микротрещинах на оксидной плёнке, удаляется при более высоких температурах и
может реагировать с металлом с образованием водорода. Гидрат оксида алюминия
удерживает некоторое количество воды вплоть до 1000˚С.
3.1.3
Особенности кристаллизации алюминиевых сплавов при сварке
его механические свойства. Заметное улучшение
кристаллической структуры сплава металла шва и повышение его механических
свойств наблюдается при введении в металл шва модификатора 0,2-0,25 %Ti.
Для всех методов сварки характерно наличие
больших скоростей охлаждения и направленного отвода теплоты. При кристаллизации
в этих условиях развивается дендритная ликвация, что приводит к появлению в
структуре металла эвтектики. Наличие эвтектики вызывает снижение пластичности и
прочности металла и часто появление трещин в швах в процессе их кристаллизации.
В процессе кристаллизации металл шва
подвергается растягивающим напряжениям, возникающим вследствие несвободной усадки
шва и примыкающих к нему неравномерно нагретых участков основного металла. В
связи с этим металл шва подвергается пластической деформации, и для того чтобы
противостоять разрушению, он должен обладать определенным запасом пластичности.
В процессе кристаллизации сплавы проходят стадию
твердожидкого состояния, характеризующуюся наличием наряду с твердой фазой
некоторого количества незакристаллизовавшейся жидкости. А.А. Бочвар ввел
понятие об эффективном интервале кристаллизации. Верхней температурной границей
эффективного интервала кристаллизации является температура, при которой
возникает жесткий скелет дендритов. Нижней границей эффективного интервала
кристаллизации является температура солидуса. Хрупкое межкристаллитное
разрушение металла (возникновение горячих трещин) наиболее вероятно именно в
этом интервале температур.
В условиях аргонодуговой сварки возможно
удаление оксидной пленки за счет катодного распыления. Катодное распыление
обусловлено бомбардировкой поверхности катода положительно заряженными ионами.
Для устранения оксидных включений в металле швов
рекомендуется различные технологические приемы, направленные на создание
условий для
перемешивания металла сварочной ванны и
дробление оксидных пленок.
Алюминий энергично реагирует со всеми газами,
образуя нитриды, карбиды и оксиды. Однако образование карбидов и нитридов
алюминия возможно в атмосфере, в которой отсутствуют кислород и
кислородосодержащие элементы. При наличии в атмосфере кислорода в первую
очередь образуется пленка оксидов, задерживающая дальнейший обмен с окружающей
средой и образование соответствующих соединений.
Свойства сварного соединения определяются
свойствами металла шва и зоны термического влияния. Свариваемость разделяют на
металлургическую, относящуюся к процессам, протекающим в сварочной ванне и
сварном шве, и тепловую, характеризующую поведение металла зоны термического
влияния в условиях термического цикла сварки. Свойства алюминия и его сплавов
отличаются от свойств сталей, поэтому их сварка имеет ряд особенностей. Алюминий
имеет высокую теплопроводность (примерно в 5 раз выше, чем у рядовых сталей),
поэтому тепло от места сварки интенсивно отводится в свариваемые детали. Это
диктует необходимость повышенного тепловложения по сравнению со сваркой сталей.
Из-за этого же рекомендуется предварительный подогрев массивных алюминиевых
деталей. Алюминий характеризуется низкой температурой плавления, причем
прочность его при нагреве резко снижается. Кроме того, он не меняет цвет при
нагреве (что характерно для большинства металлов) и вследствие этого не
"подсказывает" сварщику, что нагрет почти до температуры плавления.
Таким образом, из-за специфических свойств алюминия (высокая теплопроводность и
низкая температура плавления в сочетании со значительным уменьшением прочности
при нагреве) вероятность "прожога" или даже расплавления детали при
сварке алюминия значительно выше, чем при сварке стали. Алюминий имеет
значительную литейную усадку (в 2 раза больше, чем у стали), поэтому при
затвердевании металла сварочной ванны в нем развиваются значительные внутренние
напряжения и деформации, могущие привести к образованию так называемых
"горячих трещин".
Тщательная подготовка поверхности алюминиевых
деталей к сварке - залог высокого качества сварной конструкции. Источником
загрязнения поверхности деталей являются: оксидная пленка и соединения -
источники водорода. Поверхность алюминиевой детали покрыта оксидной пленкой.
Пленка тугоплавка и имеет большую плотность по сравнению с алюминием. Поэтому
при сварке пленка тонет в жидком металле, загрязняя сварной шов
неметаллическими включениями и в итоге снижая его механическую прочность.
Существует два метода очистки поверхности детали от пленки: механический и
химический. Наличие водорода в зоне сварки крайне нежелательно, поскольку
растворимость его в жидком алюминии значительно выше, чем в твердом. Вследствие
этого при затвердевании сварочной ванны шов становится пористым, с низкой
механической прочностью. Источниками водорода являются смазывающе-охлаждающие
жидкости, нефтепродукты и влага. Удалять их рекомендуется протиранием
поверхности растворителем. Влага может быть удалена незначительным
предварительном подогревом поверхности детали.
Легирование алюминия увеличивает в первую
очередь его прочность. Алюминий легируют в основном магнием, марганцем, медью,
кремнием, цинком. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления
(деформируемые и литейные), а также по способности к термической обработке
(неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой). Сварные конструкции
изготавливают из деформируемых сплавов, сведения о которых приведены в
ГОСТ4784-74. Важнейшим показателем свариваемости алюминиевых сплавов является
способность не образовывать при сварке "горячих трещин". Сплавы,
крайне чувствительные к горячему трещинообразованию, считаются несвариваемыми.
Применение их в сварных конструкциях не рекомендуется. Сплавы, не упрочняемые
термической обработкой, имеют низкий уровень легирования. Механическая их
прочность относительно невысока, но они хорошо свариваются и являются коррозионно-стойкими.
Это сплавы алюминий-марганец (отечественное обозначение АМц), алюминий-магний
(АМг); к ним же можно отнести и технический алюминий. Заготовки из этих сплавов
выпускаются в отожженном и холоднодеформированном (нагартованном) состоянии.
Сплавы, упрочняемые термической обработкой (закалка с последующим старением),
имеют обычно более высокую степень легирования. Прочность их выше, но они хуже
свариваются (некоторые совсем не свариваются) и часто имеют низкую коррозионную
стойкость. Это сплавы алюминий-магний-кремний (авиали, отечественное
обозначение АД), алюминий-медь (большинство относятся к дюралюминам,
отечественное обозначение Д), алюминий-цинк (с добавками других элементов).
Авиали свариваются хорошо, однако с
использованием присадочного материала; сваривать их сплавлением кромок не
рекомендуется.
Дюралюмины относятся к несвариваемым сплавам.
Единственный свариваемый алюминиево-медный сплав (сплав 1201) и его зарубежные
аналоги. Тройные сплавы алюминия с цинком и магнием свариваются хорошо только в
том случае, если содержание этих легируемых элементов в сумме не превышает 7 -
7,5%. К свариваемым относится отечественный сплав 1915 и его зарубежные
аналоги. Применительно к литейным сплавам сварка применяется только в ремонтных
целях, а также для исправления дефектов литья. Из всех литейных сплавов
наибольшее распостранение получили сплавы алюминия с кремнием (силумины).
Практически все они свариваются хорошо. Сплав 1420 хорошо сваривается
аргонно-дуговой сваркой.
3.2 Тепловая свариваемость
Тепловая свариваемость - это реакция металла на
тепловое воздействие в принятых условиях сварки.
Для оценки тепловой свариваемости сплавов
упрочняемых термообработкой целесообразно разбить околошовную зону (ОШЗ) на две
области: высокотемпературную и низкотемпературную зоны термического влияния
(ЗТВ).
Особенности поведения металла в
высокотемпературной ЗТВ:
.Рост зерна. В наибольшей мере к росту зерна при
сварке подвергнуты чистые металлы. Сплавы в виде однородных твердых растворов
росту зерна менее подвержены. Еще в меньшей степени росту зерна подвержены
гетерогенные сплавы. Рост зерна не приводит к существенному снижению
прочностных свойств. Но при сварке многих металлов и сплавов рост зерна
приводит к снижению пластичности и ударной вязкости. С увеличением роста зерна
повышается склонность металла к образованию трещин. С ростом зерна в ОШЗ
связано образование крупнокристаллическое строение в металле шва. Уменьшение
зерна достигается за счет снижения погонной энергии и при
применении жесткого режима.
.Оплавление границ зерен и переход металла в
температурный интервал хрупкости (ТИХ). При действии растягивающих напряжений
образуются
горячие трещины.
Поведение металла в низкотемпературной ЗТВ
характеризуется:
1) Распадом твердого раствора основного
металла.
2) Коагуляцией упрочнителей.
Эти три фактора приводят к разупрочнению
основного металла в низкотемпературной ЗТВ.
3.3 Изучение свойств металла околошовной зоны
под воздействием термического цикла сварки: образования структурной и
химической неоднородности
Значительное влияние содержания вредных примесей
на показатели горячеломкости и пластичности сварных соединений можно объяснить
особенностями строения зоны термического влияния полуфабрикатов. В результате
сварочного нагрева значительная часть включений интерметаллидных фаз
превращается в оплавленные скопления и прослойки эвтектики, имеющие переменный
состав. Проведенный микрорентгеноструктурный анализ зоны термического влияния
показал, что в оплавленных скоплениях интерметаллидных фаз и прослойках эвтектики
количество примесей на порядок выше, чем их среднее содержание в сплаве.
Следовательно, примеси распределяются в структурных составляющих сварного
соединения ( по линии сплавления и в зоне термического влияния) неравномерно.
Например, эвтектические прослойки в сплаве 01460 технической чистоты содержат
до 4-7% железа и кремния (каждого) при среднем содержании их в сплаве
0,25-0,35%. Для сплава 1420 газопламенной выплавки в оплавленных
интерметаллидных фазах содержатся до 3-7% железа и кремния при среднем содержании
каждого компонента в сплаве на уровне 0,35%. Во всех сплавах повышенной чистоты
содержание вредных примесей в эвтектических прослойках и оплавленных выделениях
примерно в 3-7 раз меньше, чем в аналогичных сплавах промышленной чистоты, что
и обуславливает снижение склонности к образованию горячих трещин и повышение
пластичности. Разрушение сварных соединений, как правило, происходит по линии
сплавления со стороны основного металла при испытании образцов с усилением шва
и проплавом. Результаты металлографических исследований при увеличении до 500
раз и методы капиллярного контроля показали, что в зоне термического контроля
показали, что в зоне термического влияния наблюдается ориентированная
микропористость. Расположение микропор напрямую связано с интерметаллидной
структурой полуфабрикатов. Поры образуются внутри интерметаллидных составляющих
или на границе раздела между ними и матрицей сплава. Неблагоприятное строчечное
расположение интерметаллидных фаз и ориентированная микропористость в зоне термического
влияния приводят к значительному снижению прочности сварных соединений, так как
хрупкие интерметаллидные частицы при нагружении легко отделяются от матрицы и
уменьшают энергию, необходимую для распространения трещин. Толщина
эвтектических прослоек и выделений зависит от размера удельной межзернной
поверхности. Поэтому механические свойства сварных соединений определяются
размером и формой зерен конкретного полуфабриката и их ориентацией относительно
сварного шва. С понижением температуры испытаний отрицательное влияние
интерметаллидных фаз и прослоек по границам зерен возрастает. Для соединений с
крупнозернистой структурой свариваемых полуфабрикатов прочность при -253°C
заметно ниже, чем при -196°C
и ниже, чем при 20°C. При
изготовлении и эксплуатации первых сварных конструкций каркасного типа с
частыми ручными прихватками (через 50-90 мм) из сплава 1420 газопламенной
выплавки и по способу «триплекс-процесс» были обнаружены холодные трещины.
Анализ разрушений, происшедших как в процессе производства, так и при
эксплуатации, показал, что холодные трещины, возникшие с течением времени, и
трещины от однократных статических и динамических нагрузок носят практически
идентичный характер. Разрушение происходит под действием остаточных напряжений,
сформировавшихся на различных стадиях изготовления сварных конструкций
каркасного типа, причем большое влияние на уровень остаточных напряжений
оказывает качество и последовательность сборки под сварку. Особенно высокие
напряжения возникают при каркасной схеме организации сборки, когда исходная
депланация кромок превышает 40-100%, а зазоры в стыке достигают 1,5-3,0 мм.
Устранение таких депланаций перед сваркой требовало приложения больших
сосредоточенных усилий, которые в конечном счете суммировались с остаточными
сварочными напряжениями. Уровень остаточных напряжений определяли методом
тензометрирования на образцах. Установлено, что наибольшие остаточные сварочные
напряжения на образцах 185-235 МПа (продольные растягивающие напряжения) и
60-85 МПа (поперечные напряжения) (рис. 6).
Рис. №6. Эпюры распределения остаточных
напряжений при различной последовательности операций сварки и термической
обработки сварных соединений сплава 1420: 1-закалка + искусственное старение +
сварка; 2- закалка + искусственное старение + сварка + искусственное старение;
3- закалка + искусственное старение + сварка + закалка + искусственное
старение.
В то же время на полуфабрикатах, полученных из
слитков газопламенной выплавки или способу «триплекс - процесс», в основном
металле и сварных соединениях обнаруживаются флюсовые включения, скопления
интерметаллидов, оксидных пленок, что в конечном счете приводит к резкому
снижению механических свойств, например, предел прочности при растяжении
уменьшается до 225-275 МПа.
4.Выбор способа сварки, типов сварных
соединений, расчёт режимов сварки
Из выбранного материала и конструкции крышки
бака я выбрал сварку автоматическую в защитных газах неплавящимся электродом -
однофазную. Шов - односторонний на съемной подкладке с присадочной проволкой.
Расчёт сварочного тока и скорости подачи
присадочной проволоки
Для однопроходной электросварки стыковых
соединений величину сварочного тока можно определить по формуле:
I=(γ*
Vсв*
Fш*hпл)/
hи*ht*U
,
где:
1. γ
- плотность металла, кг/м3 * 103
2. Vсв
-
скорость сварки, м/с
3. Fш
-
площадь сечения шва, м2
4. hпл
- теплосодержание расплавленного металла сварочной ванны, Дж/кг
5. hи
-эффективный
КПД процесса нагрева
6. ht -
термический КПД процесса нагрева
7. U
- напряжение дуги, В
Fш
= Fр
+ Fн
, [м2]р=0,5*(e+e1)*S-b*S,
[м2]н=b*S
+ 0,75*(eg+e1g1), [м2]
Рассчитывается теплосодержание расплавленного
металла в сварочной ванне:
hпл=
C*Tпл
+ Lпл
+C*Tпр
,
где:
1. С- удельная теплоемкость, Дж/кг*К
2. Tпл
- температура плавления, ˚С
3. L
- скрытая теплота плавления, Дж/кг
4. Tпр
- температура перегрева сварочной ванны принимается равной 20% от Tпл,
˚С
5. dпр
- диаметр сварочной проволоки, мм
Vпр=1,27*(Fн*Vсв)/d2пр
. γ=2.84*103
кг/м3 6. С= 820Дж/кг*К
. Vсв
=0.008
м/с 7. Tпл=
620˚С
. hи=0.7 8. L=
398
. ht=0.32 9. Tпр=
124˚С
. U=15
В 10. dпр=
2мм
Конструктивные размеры сварных соединений при
односторонней сварке на подкладке, мм
Табл. № 5
|
Метод сварки
|
S
|
b
|
e
|
e1
|
g
|
g1
|
|
Неплавящимся электродом в среде
аргона с присадочной проволкой
|
3
|
1
|
5
|
0.8
|
0.5
|
пл=820*(620)+398000+820*124=1008080
Дж/кгр=0,5*(11+5)*3-1*3=21*10-5 м2
Fн=1*3+0,75*(11*0.8+5*0,5)=11.475*10-5
м2
Fш =21*10-5
+11.475*10-5=32.475*10-5 м2пр=1,27*(11.475*10-5*0.008)/22=
0.029 м/с
=(2.84*103*0.008*32.475*10-5*1008080)/(0.7*0.32*15)=221А
5. Разработка технологической оснастки
Технические характеристики сварочного
оборудования
В качестве источника питания следует
использовать универсальный источник питания ТИР-300Д для дуговой сварки изделий
неплавящимся электродом в среде аргона постоянным или переменным током
прямоугольной формы. Источник обеспечивает сварку всех металлов, включая
алюминий и магний, а также сплавов на их основе.
Источник ТИР-300Д имеет внешние характеристики
крутопадающей формы
Рис. 5 Внешние вольт-амперные характеристики
ТИР-300Д
ТИР-300Д является источником питания
параметрического типа и не имеет внешних обратных связей. В состав ТИР-300Д
входят следующие узлы: силовой трансформатор с малым магнитным рассеянием,
обладающий жесткой магнитной характеристикой; регулятор тока, представляющий
дроссель насыщения нового типа, работающий в режиме вынужденного намагничивания
и имеющий разделенные рабочие обмотки, коммутируемые тиристорами; импульсный
стабилизатор горения дуги переменного тока;
осциллятор; регулятор спада сварочного тока в
конце сварки; элементы
управления, индикации и охлаждения.
Регулирование сварочного тока ступенчато-плавное. Плавное регулирование
сварочного тока в пределах
каждой из двух ступеней осуществляется
дистанционно посредством ручного или педального пульта. Сварочная дуга при
питании от источника ТИР-300Д обладает высокой стабильностью горения, как в
установившемся, так и в переходном режимах. Источник ТИР-300Д поддерживает
заданное значение сварочного тока в пределах рабочего участка внешней
характеристики с точностью, определяемой крутизной характеристики, при
относительно медленных изменяющихся возмущениях, как со стороны дуги, так и со
стороны изменений напряжения питающей сети. При возбуждении дуги касанием
изделия или посредством осциллятора ток дуги плавно увеличивается с 5А до
установленного значения за время около 0,4 с. Спад тока при гашении дуги
происходит по линейному закону, что позволяет более равномерно снижать
тепловложение в сварной шов. В источнике ТИР-300Д это реализовано достаточно
простыми путями из-за малой мощности, затрачиваемой на управление сварочного
тока в дросселе насыщения с разделенными рабочими обмотками, благодаря тому,
что коэффициент усиления по мощности у дросселя насыщения, примененного в
ТИР-300Д равен 2000.
Технические характеристики источника ТИР-300Д
|
нижняя температура окружающей
среды
|
+5ºC
|
|
режим работы продолжительный;
номинальный сварочный ток
|
300А
|
|
Пределы регулирования сварочного
тока - первая ступень
|
10-150А
|
|
вторая ступень
|
40-300А
|
|
номинальное рабочее напряжение
|
30В
|
|
напряжение холостого хода
|
65В
|
|
первичная мощность
|
25кВА
|
|
напряжение сети
|
380А
|
|
КПД
|
=75%
|
|
коэффициент мощности
|
0,5
|
|
время гашения дуги
|
5с
|
|
габаритные размеры
|
1230×620×1000 мм
|
|
масса
|
480 кг
|
Аппараты для дуговой автоматической
сварки в защитных газах обеспечивает выполнение следующих операций:
1. зажигание
дуги в начале сварки;
2. подачу
электрода (или присадочного материала) в зону дуги по мере его оплавления;
3. регулирование
параметров дуги;
4. передвижение
дуги вдоль свариваемых кромок;
5. защиту
зоны дуги и сварочной ванны от воздействия воздуха;
6. направление
электрода по шву;
7. прекращение
процесса сварки с совмещением операций заварки кратера и прекращения подачи
защитного газа через определенный интервал времени.
Конструкция аппаратов для
автоматической сварки должна обеспечивать стабильность процесса сварки, быструю
переналадку режима сварки, надежность, удобство обслуживания, безопасность
работы. Аппараты должны быть малогабаритными, небольшой массы и отвечать
требованиям промышленной эстетики.
Автомат АРК-2 для дуговой сварки в
среде аргона неплавящимся и плавящимся электродом радиально-консольного типа;
выпускается двенадцати модификаций, которые служат для сварки изделий из
жаропрочных, коррозионно-стойких сталей, алюминиевых и титановых сплавов. В
зависимости от типа сварочной головки и соответствующего источника питания
автоматы обеспечивают сварку постоянно горящей дугой постоянного тока и
переменного тока. Колонна автомата крепится на основании и может поворачиваться
от механического привода на 360º. На
колонне имеются направляющие для перемещения (вверх и вниз) специальной
самоходной каретки, в которой смонтирована консоль автомата. Консоль может
выдвигаться от специального привода с плавным изменением скорости выдвижения.
На конце консоли имеется фланец для крепления сварочной головки.
Техническая характеристика автомата
модификации АРК-2: Табл. № 6
|
Параметры
|
Значение
|
|
тип сварочной головки
|
АСГВ-4
|
|
длина продольного шва
|
2500мм
|
|
габаритные размеры
|
3325×2700×4080мм
|
|
Масса
|
2150 кг
|
|
Техническая характеристика
сварочной головки АСГВ-4:
|
|
номинальный сварочный ток
|
300А
|
|
диаметр вольфрамового электрода
|
1-5мм
|
0,8-2мм
|
|
скорость подачи присадочной
проволоки
|
(2,1-3,3)10³м/с
|
|
Установочные перемещения головки:
|
|
поперек шва
|
±50мм
|
|
по вертикали
|
±50мм
|
|
поворот вокруг вертикальной оси
|
отсутствует
|
|
поворот вокруг горизонтальной оси
|
±90º
|
|
габаритные размеры головки
|
310×385×675мм
|
|
габаритные размеры шкафа
управления
|
1075×500×675мм
|
|
масса головки
|
27кг
|
|
масса шкафа
|
342кг
|
Сварочная головка оснащена системами
слежения за стыком и автоматического поддержания дугового промежутка.
Наиболее важным узлом любого
сварочного аппарата является горелка. С помощью горелки возбуждается сварочная
дуга и осуществляется формирование и направление струи защитного газа. В
горелке закреплен электрод. Горелка - сменный инструмент и от ее конструкции во
многом зависит работоспособность сварочного аппарата в целом.
При сварке с присадочной проволокой,
последняя подается по гибкому шлангу - направляющему каналу так, как это имеет
место в шланговых полуавтоматах для плавящегося электрода.
Проволока электрически изолирована
от сварочного напряжения дуги. Скорость подачи проволоки выбирают в
соответствии с ее диаметром и мощностью дуги. Поскольку проволока поступает в
ванну по касательной к поверхности свариваемых деталей, желательно режим сварки
выбрать таким образом, чтобы скорость сварки и скорость подачи присадочной
проволоки были равными. В этом случае оператор как бы опирается на конец
подаваемой проволоки, контролируя при этом скорость движения горелки.
В данном технологическом процессе
при автоматической сварке перемещаются (вращаются) сами детали и для их
вращения используется манипулятор марки МАС-1.
Технические характеристики
манипулятора МАС-1: Табл. № 7
|
Грузоподъемность
|
1,0т
|
|
допустимый момент относительно
опорной плоскости планшайбы
|
400кгс м
|
|
допустимый момент на оси вращения
планшайбы
|
250кгс м
|
|
диаметр свариваемых швов
|
300-1700мм
|
|
наибольшие размеры свариваемых
изделий
|
1400×1400×1000мм
|
|
наибольший угол наклона планшайбы
|
135º
|
|
частота вращения планшайбы
|
0,04-1,01об/мин
|
|
мощность электродвигателя:
|
|
|
привода вращения планшайбы
|
1,5кВт
|
|
наклона стола
|
1,7кВт
|
|
Длина
|
1690мм
|
|
Ширина
|
1550мм
|
|
Высота
|
950мм
|
|
Масса
|
1,755т
|
Для сварки кольцевого шва к
манипулятору прибавляют заднюю вращательную балку, и получается так называемый
вращательный стенд.
Приспособление для сварки фланцев и
штуцеров
Для в варки фланцев и штуцеров
использую приспособление, состоящее из:
.Основания
.Четырех зажимных лапок
.Болтов
.Стержень
И устанавливается на манипулятор
Рис. № 6 Приспособление для сварки
фланца
На стол устанавливается полусфера,
затем четырьмя болтами закрепляются прижимные лапки, затем на стержень с
грибком, устанавливаем фланец и закрепляем его. С помощью манипулятора
устанавливаем собранную полусферу с фланцем перпендикулярно сварочной головке.
Стенд для сварки кольцевых швов
Рис. №7 Стенд для сварки кольцевых
швов
Состоит из:
1. АРК - 2
2. Манипулятора
4. Приспособление
для в варки фланцев и штуцеров
6. Разработка и описание
директивного технологического процесса
.1 Выбор методов контроля качества
сварки
При сборке и сварке данной
конструкции на всех стадиях процесса осуществляется контроль внешним осмотром.
Визуальный контроль осуществляется с помощью лупы 4-7 кратного увеличения.
Поскольку стыковые швы в конструкции
относятся к 1 категории необходимо производить рентгеноконтроль на отсутствие
трещин и непроваров и на количество пор.
Испытания на прочность данной
конструкции производится внутренним давлением воздуха P=24+0,5 кгс/см²
, выдержка пять минут.
Важным эксплуатационным требованием
для данной конструкции является сохранение герметичности.
Наиболее распространенная причина
потери герметичности сварных соединений - сквозные дефекты. Они обычно имеют
вид трещин, непроваров и др.
Испытания на герметичность проводят
в два этапа:
1. испытания
гелиевым течеискателем («методом щупа»)- в корпусе бака подается гелиевоздушная
смесь под давлением, затем специальным щупом проводится обследование сварного
шва и возможные утечки гелия (т.е. места дефектов) фиксируются специальным
аппаратом, точнее, течеискателем;
2. Испытания на прочность данной
конструкции производится внутренним давлением воздуха P=24+0,5 кгс/см²
, выдержка пять минут.
6.2 Директивный технологический процесс
в варки штуцеров и фланцев в крышку бака
Табл. № 8
|
№
|
Наименование операций
|
Оборудование и приспособления
|
Режимы и вспомогательные материалы
|
Эскизы операции
|
1 Химическая
обработка свариваемых деталей Ванна 1.Травление 5% водном растворе
NaOH-2мин 60˚С 2.Промывка в холодной воде. 3.Осветление в 15% растворе
HNO3-2мин. 4.Промыть в теплой воде. 5.Сушка 60-70˚С, 30мин. 
|
|
|
2
|
Зачистить кромки деталей под
сварку
|
Шабер
|
|
|
|
3
|
Собрать и сварить штуцер с
полусферой
|
Авт. АРК-2, Ист. Пит. ТИР-300Д,
Манипул. МАС-1, Приспособление для сварки штуцера
|
Iсв =220-230А, Vсв
=0.008 м/с, Аргона расход в/с 12−14 л/мин, Vпр=0,0093
[м/с]. Св-проволка 1201, Диаметр 2 мм
|
|
|
4
|
Визуальный контроль
|
Лупа x4
|
|
|
|
5
|
Собрать и сварить фланец с
полусферой
|
Авт. АРК-2, Ист. Пит. ТИР-300Д,
Манипул. МАС-1, Приспособление для сварки фланца
|
Iсв =220-230А, Vсв
=0.008 м/с , Аргона расход в/с 12−14 л/мин, Vпр=0,0093
[м/с]. Св- проволка1201, Диаметр 2 мм
|
|
|
6
|
Визуальный контроль
|
Лупа x4
|
|
|
|
7
|
Рентгеноконтроль сварных швов
|
Рентгеновский аппарат, РУП-150-10
|
Напряжение на растровой трубке
40кВ, τ
= 25сек,
iа = 10мА.
|
|
Вывод
крышка бак сварка
оснастка
1. В данной работе была описана
конструкция крышки бака, определены условия эксплуатации и сформированы
основные требования, предъявленные к конструкции. На основании этого было
определено, что для изготовления конструкции необходимо использовать сплав
1420.
. Были рассмотрены основные
физико-химические свойства сплава 1420.
. Описание технологической
свариваемости сплава 1420.
. Разработан директивный
технологический процесс сборки и сварки крышки бака из сплава 1420. Для этого
были произведены расчёт основных режимов сварки, определено оборудование,
необходимое для проведения процесса сварки. Была разработана оснастка,
позволяющая осуществить изготовление конструкции.
Список литературы
1. Материаловедение.
Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухина
2. Гуляев
А.П. «Металловедение»
3. Николаев
Г.А., Фридляндер И.Н., Арбузов Ю.П. «Свариваемые алюминиевые сплавы»
4. Сварка
и свариваемые материала ВолченкоВ.Н.
5. Никифоров
Г.Д., Бобров Г.В., Никитин В.М. «Технология и оборудование сварки плавлением.