Способ электролитно-плазменной сварки цветных металлов и их сплавов
METHOD FOR ELECTROLYTE-PLASMA WELDING OF NON-FERROUS METALS AND THEIR ALLOYS

Изобретение относится к способу электролитно-плазменной сварки изделий из цветных металлов и их сплавов. Цветные металлы и их сплавы находят широкое применение в авиастроении, ракетной и космической технике, энергетическом, атомном, химическом машиностроении, приборостроении и других отраслях. В качестве конструкционных материалов наиболее широко используются алюминий, магний, титан, медь, никель, молибден, ниобий, тантал, цирконий, гафний и сплавы на их основе. Цветные металлы и их сплавы можно условно разделить на легкие (Al, Mg, Be), тяжелые (Cu, Ni) и химически активные и тугоплавкие (Ti, Mo, Nb, Zr, Ta).
Алюминий и его сплавы широко применяют в связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью во многих средах и высокими механическими свойствами при низких температурах в авиа-, ракетно-, судостроении, в химической и пищевой промышленности.
Медь и ее сплавы используются в различных отраслях для изготовления трубопроводов, теплообменников, сосудов, емкостей, токоведущих элементов, узлов подшипников из-за высоких коррозионной стойкости, электро- и теплопроводности, износостойкости.
Титан и ее сплавы все более широко применяют в авиа-, ракетно-, судостроении, химической промышленности и в атомной энергетике для получения прочных и стойких в некоторых агрессивных средах конструкций.
Никель и его сплавы благодаря высокой коррозионной стойкости, жаропрочности и жаростойкости находят широкое применение в химической и нефтехимической промышленности, энергетике.
Такие металлы как молибден, ниобий, цирконий достаточно широко используют в ракетной и космической технике, в химическом машиностроении и атомной энергетике в связи с высокой жаропрочностью.
Так как взаимодействие цветных металлов с газами и примесями наиболее интенсивно протекает при высоких температурах, при сварке плавлением этих металлов могут возникать различные трудности.
Из-за сильных различий в физико-химических свойствах алюминия и алюминиевых сплавов и их сварка чрезвычайно затруднена.
Для их сварки можно использовать контактную сварку, сварку диффузионно-вакуумную и сварку плавлением, но только в среде аргона.
В целом для сварки цветных металлов используют все известные виды сварки плавлением: газовую, дуговую, плазменную, электрошлаковую, электронно-лучевую, лазерную и др. Но при сварке каждого цветного металла и сплава необходимо находить свои оптимальные виды, способы и приемы сварки.
Известен способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов (Патент РФ 2572671, опубликованный 20.01.2016). Способ характеризуется тем, что сварку деталей осуществляют при одновременном воздействии лазерного луча и дуги на одну сварочную ванну в среде инертного газа. Лазерный луч и дуговую горелку наклоняют в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей.
Недостатком данного технического решения является то, что данный способ не позволяет сварить изделия сложной геометрической формы, с развитой внешней и внутренней поверхностью, в том числе пористые изделия из-за сложности подвода лазерного луча.
Известен способ сварки и наплавки металлического изделия из алюминия способом дуговой сварки металлическим электродом в среде инертного газа с импульсным током и импульсивной подачи проволоки (Патент РФ 2627088, опубликован 03.08.2017). Способ характеризуется тем, что наплавка осуществляется посредством проволоки присадочного металла, состав которого по своей природе идентичен составу алюминиевого сплава детали для наплавления, причем импульсная подача металлической проволоки и скорость наплавки металлической детали турбомашины адаптированы таким образом, что наплавку осуществляют без горячего растрескивания.
Недостатками способа являются необходимость наличия добавочной проволоки для сварки, защитного инертного газа, низкая энергетическая эффективность нагрева и плавления сварочной проволоки, а также поверхность алюминиевых сплавов. В результате данный способ требует дополнительных затрат и обладает низкой производительностью сварки.
2
Известен способ точечной электроконтактной сварки алюминия и его сплавов (Патент РФ 2374049, опубликован 27.11.2009). Способ характеризуется тем, что включает применение жестких режимов сварки при плотности тока, достигающих 1600 А/мм, и удельных давления до 150 МПа.
Недостатками способа являются сложность обеспечения герметичности сварочных швов и очистки поверхности от пленки окиси алюминия.
Известен способ лазерно-дуговой сварки алюминия и алюминиевых сплавов (Патент РФ 2440221, опубликованный 20.01.2012). Способ характеризуется тем, что в среде инертного газа одновременно воздействуют лазерным лучом и дугой в одной сварочной ванне. При сварке дуговую горелку располагают перед лазерным лучом по ходу его движения. Направляют сварочную проволоку в точку пересечения лазерного луча с поверхностью свариваемых деталей. Лазерный луч наклоняют на 10-20 градусов, а дуговую горелку на 30-40 градусов в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей. Техническим результатом является повышение качество сварного соединения.
Недостатком данного технического решения является то, что данный способ не позволяет сварить изделия сложной геометрической формы, с развитой внешней и внутренней поверхностью, в том числе пористых изделий из-за сложности подвода лазерного луча, а также необходимость в применении сложного оборудования, ведущая к увеличению трудоемкости при сварке. Основным недостатком сварки алюминия с использованием инертных газов и дуговой сварки является высокая температура процесса, температура плавления окисной пленки достигает Т=2044°С, в то время как температура плавления самого алюминия около Т=660°С. При таких температурах положительные технологические свойства дюралюминия исчезают.
Известен способ для сварки металлов без применения высокотемпературной дуговой плазмы, инертного газа и без присадочной проволоки (New technology for welding  aluminum and its alloys. Materials Today: Proceedings Volume 19, Part 5, 2019, p.2566-2567, L.N. Bagautdinova, R.Sh. Basyrov, Al.F. Gaysin, Az.F. Gaysin). Процесс сварки происходит с помощью электрического разряда в среде электролита. Электролитно-плазменный метод сварки металлов позволяет увеличить скорость по сравнению с существующими рыночными аналогами улучшая качество сварки, при этом экономить сырье, реагенты, повышает производительность труда. Создание такого продукта соответствует передовым производственным технологиям и может облегчить конкурентоспособность отечественных компаний на рынке НТИ и высокотехнологических отраслях.
Недостатком способа является то, что данный способ сварки применим только для алюминия.
Известен способ электролитно-плазменной сварки изделия из алюминия и его сплавов (Патент РФ 2625145, опубликован 11.07.2017). Способ характеризуется тем, что в обеспечении сварки изделий из алюминия и его сплавов в неинертной (парогазовой) среде без снижения технологических параметров алюминию и его сплава-дюралюминия. Отличительной способностью способа электролитно-плазменной сварки изделий из алюминия или его сплава является то, что происходит мгновенное катодное распыление оксидной пленки в парогазовом растворе под действием положительных ионов, в неинертной (парогазовой) среде, при невысоких температурах электролита Т=350К. Тем самым исключается необходимость в доведении температуры свариваемой зоны до температуры плавления окисной пленки алюминия, что, в свою очередь позволяет сохранить технологические параметры материалов и изделий.
Недостатком данного технического решения является то, что в данном способе не определены параметры сварки цветных металлов и их сплавов, кроме алюминия и его сплавов (напряжение и ток разряда, время сварки, глубина погружения в электролит, состав и концентрация электролита).
Решаемой технической задачей (технический результат) на решение которой направлено заявляемое изобретение является обеспечение сварки изделий из цветных металлов и их сплавов без инертных газов, присадочной проволоки.
Технический результат достигается тем, что в способе электролитно-плазменной сварки цветных металлов и их сплавов предварительно очищают зоны сваривания, подают на них положительный потенциал и погружают проводник, на который подают отрицательный потенциал, устанавливают напряжение 100 ≤ U ≤ 500 В между анодом, которым являются цветные металлы, и катодом, которым является электролит, и ток разряда 0,5 ≤ I ≤ 200 А, зажигают разряд между очищаемыми изделиями и электролитом и  осуществляют очистку в течение 2 ≤ t ≤ 60 c, причем в качестве электролита используют раствор соли (концентрацией 10-20%) в воде, меняют полярности и совмещают свариваемые изделия зонами сваривания, подают на них отрицательный потенциал и погружают зоны сваривания в электролит, при этом в электролит погружают проводящую пластину из нержавеющей стали, на которую подают положительный потенциал, устанавливают напряжение 100 ≤ U ≤ 500В и ток разряда 0,4 ≤ I ≤ 200A, зажигают разряд между свариваемыми изделиями и осуществляют сварку в течение 1 ≤ t ≤ 60 с, причем электролит оставляют прежний.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, в котором осуществляют способ электролитно-плазменной сварки цветных металлов и их сплавов с предварительной очисткой поверхности.
На фиг. 1 позициями обозначены:
1 - источник питания;
2 - свариваемые изделия;
3 - зона сваривания;
4 - электролит;
5 - проводник для подвода положительного потенциала;
6 - электролитическая ванна.
На фиг.2 представлены фотографии сварки цветных металлов и их сплавов.
На фиг. 2 позициями обозначены:
1 - дюралюминий с медью;
2 - алюминий с медью;
3 - дюралюминий;
4 - медь;
5 - алюминий.
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа электролитно-плазменной сварки цветных металлов и их сплавов (фиг.2) с использованием устройства на фиг.1.
Предварительно очищают зоны сваривания цветных металлов и их сплавов, подавая на них положительный потенциал и погружая в электролит, а также погружают в электролит пластину, на которую подают отрицательный потенциал, и устанавливают напряжение 100 ≤ U ≤ 500 B  и ток разряда 0,5 ≤ I ≤ 200 A между анодом, которым является цветные металлы, и катодом, которым является электролит, зажигают разряд между очищаемыми изделиями и электролитом и осуществляют очистку в течение времени 2 ≤ t ≤ 60 с, причем в качестве электролита используют раствор соли в воде (концентрацией 10-20%), меняют полярность и устанавливают напряжение 100 ≤ U ≤ 500 В и ток разряда 0,5 ≤ I ≤ 200 А, зажигают разряд между свариваемыми изделиями и электролитом, осуществляют сварку в течение времени 1 ≤ t ≤ 60 с, причем электролит оставляют прежним.
Выбор конкретного значения напряжения, тока, состава и концентрации электролита устанавливается исходя из оптимальных условий для сварки изделий из цветных металлов и его сплавов.
Отличительной особенностью способа сварки цветных металлов и их сплавов является то, что происходит эффективная предварительная очистка свариваемых поверхностей с дальнейшим улучшением свариваемых поверхностей. Сварка происходит при невысоких температурах электролита Т=350К, ниже температуры плавления оксидной пленки, при этом  происходит распыление оксидной пленки в парогазовом разряде под действием ударов положительных и отрицательных ионов. Кроме того, отсутствует необходимость в использовании инертных газов и присадочной проволоки.