СПОСОБ ИМПУЛЬСНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В ИНЕРТНОМ ГАЗЕ
METHOD OF PULSE ARC WELDING OF BUTT JOINTS OF ALUMINIUM ALLOYS WITH NON-MELTING ELECTRODE IN INERT GAS

Предлагаемое изобретение относится к способам получения неразъемных соединений сваркой плавлением алюминиевых сплавов и может быть использовано в авиастроении, ракетостроении, судостроении и других отраслях машиностроения для получения соединений панельных конструкций из алюминиевых сплавов.
Известен способ дуговой сварки в инертных газах неплавящимся электродом стыковых соединений алюминиевых сплавов на переменном токе (Справочник по сварке цветных металлов / Гуревич С.М.; Отв. Редактор Замков В.Н. - 2-е изд. перераб. и доп. - Киев: Наук. Думка, 1990. - С.99-100) При данном способе свариваемые кромки соединения совмещают, фиксируют в прижимном приспособлении. Затем неплавящийся электрод устанавливают со свариваемым стыком. В процессе сварки дуга перемещается параллельно свариваемого стыка и питается переменным током. При этом в период обратной полярности реализуется катодное распыление оксидной пленки на поверхности свариваемых кромок, а в период прямой полярности - «остывание» вольфрамового электрода, препятствующее загрязнению шва металлическими включениями.
К недостаткам отмеченного способа сварки стыковых соединений алюминиевых сплавов можно отнести образование в металле шва включений оксидной пленки, особенно в случае, когда интервал между травлением алюминиевого сплава перед сваркой и самим процессом сварки превышает 6-8 часов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ сварки стыковых соединений алюминиевых сплавов, при котором сварку осуществляют на переменном токе, а в период полуволны прямой полярности от дополнительного источника на дугу подают импульс тока от самостоятельного источника (Рязанцев В.И., Славин Г.А., Трохинская Н.М. Особенности кристаллизации сварочной ванны при сварке с наложением на дугу кратковременных импульсов тока // Сварочное производство. 1988. №4. С.39-41). В случае наложения импульсов при горении дуги обратной полярности электрод из-за высокой динамической нагрузки разрушается, а частицы его попадают в металл шва. Применение дополнительных импульсов от самостоятельного источника позволяет интенсифицировать процесс дробления оксидной пленки.
Существенным недостатком прототипа является нестабильность качества получаемых сварных соединений из-за наличия в сварных швах включений оксидной пленки, частиц вольфрама, а также отмечается повышение склонности к образованию горячих трещин при сварке в металле шва.
Предлагаемый способ импульсной дуговой сварки стыковых соединений алюминиевых сплавов неплавящимся электродом в инертном газе направлен на обеспечение снижения количества включений оксидной пленки в швах, а также повышение сопротивляемости алюминиевых сплавов горячеломкости при сварке.
Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, обеспечивается путем подачи на дугу импульсов тока дополнительного источника величиной (3,5-5,0)Iсв и длительностью 0,003-0,006 с, где Iсв - ток дуги.
Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:
на фиг.1 показана схема наложения дополнительного импульса тока в период полуволны прямой полярности переменного тока питания дуги;
на фиг.2 показана макроструктура сварочной ванны при величине импульса тока 3,0 Iсв;
на фиг.3 показана макроструктура сварочной ванны при величине импульса тока 4,3 Iсв;
на фиг.4 показана макроструктура сварочной ванны при величине импульса тока 5,5 Iсв;
на фиг.5 - структура шва на сплаве В-1341 при сварке на переменном токе без дополнительных импульсов;
на фиг.6 - структура шва на сплаве В-1341 при величине тока в импульсе 4,3 Iсв и длительности импульса 0,004 с.
Предложенный способ сварки алюминиевых сплавов осуществляется следующим образом. Свариваемые детали устанавливаются и фиксируются в приспособлении. Вольфрамовый электрод устанавливается по оси стыка свариваемых деталей. Затем в горелку для защиты металла шва от окисления подается защитный газ - аргон. После этого включается основной источник питания дуги переменного тока и зажигается сама дуга. Для формирования шва дуга перемещается вдоль стыка со скоростью сварки.
В процессе сварки на дугу от дополнительного источника подают импульсы тока величиной (3,5-5,0)Iсв и длительностью 0,003-0,006 с, где Iсв - ток дуги. При этом наложение импульсов осуществляется в период полуволны прямой полярности от дополнительного источника (фиг.1).
При импульсной сварке основными параметрами процесса были: ток непрерывной дуги Icв, ток в импульсе Iu, длительность импульса tu. Кроме того, важное технологическое значение имеет коэффициент модулирования сварочного тока К=Iu/In, т.е. отношение тока импульса к току паузы.
Величина тока в импульсе оказывает существенное влияние на протяженность включений оксидной пленки. При токе импульса меньше 3,5 Iсв протяженность включений оксидной пленки в швах равноценна аналогичным значениям при сварке дугой на переменном токе. Это обусловлено тем, что характер формирования сварочной ванны полностью аналогичен в этом случае формированию ванны при сварке дугой переменного тока без образования кратера (фиг.2).
При наложении импульсов тока величиной в пределах (3,5-5,0)Iсв наблюдается повышение дисперсности включений оксидной пленки и снижается их суммарная протяженность. Схему механизма фрагментации оксидной пленки в стыке при сварке алюминиевых сплавов в этом случае можно сформулировать следующим образом: при указанных значениях тока импульса в сварочной ванне формируется кратер (углубление) (фиг.3). Образование кратера создает условия для непосредственного воздействия ионной бомбардировки на оксидную пленку, расположенную на торцевой поверхности свариваемых кромок. При образовании кратера в жидком металле сварочной ванны формируются устойчивые и направленные потоки расплавленного металла, обеспечивающие вынос на поверхность шва фрагментов оксидной пленки по боковым стенкам кратера.
С увеличением тока в импульсе более 5,0 Iсв наблюдается рост ширины шва (фиг.4) и образование в металле шва пористости из-за интенсивного вскипания легирующих элементов, имеющих высокую упругость пара.
Поэтому оптимальным является диапазон величины тока в импульсе (3,5-5,0)Iсв.
Длительность импульса оказывает влияние на ширину шва и глубину проплавления. При длительности импульса менее 0,003 с не наблюдается существенных отличий в формировании шва, размерах и количестве оксидных включений по сравнению со сваркой на переменном токе. В шве наблюдается образование столбчатой структуры (фиг.5) с осевым кристаллитом при высокой склонности к образованию горячих трещин. Увеличение длительности импульса до 0,003-0,006 с способствует образованию в сварочной ванне кратера, уменьшению включений оксидной пленки и повышению сопротивляемости формированию горячих трещин в металле шва. Это связано с тем, что периодическое изменение температурных условий в ванне оказывает существенное влияние на процесс кристаллизации и характер образующейся структуры шва и, как следствие, на его технологическую прочность в температурном интервале кристаллизации. Повышение стойкости против образования горячих трещин связано не только с образованием дезориентированной и более мелкозернистой структуры (фиг.6), но и с эффектом залечивания зарождающихся трещин под действием периодических гидродинамических колебаний металла в ванне.
Увеличение длительности импульса более 0,006 с сопровождается увеличением ширины шва и глубины проплавления. Однако наблюдается снижение степени дезориентированности структуры металла шва и повышение склонности к образованию горячих трещин из-за утраты эффекта их залечивания.
Таким образом, оптимальной является длительность импульса тока, накладываемого на дугу в период прямой полярности в диапазоне 0,003-0,006 с.
Были проведены эксперименты по сварке стыковых соединений сплава В-1341 толщиной 3,5 мм без разделки кромок и присадочной проволоки. Для установления влияния импульсов на качество швов образцы нагревали в печи в атмосфере воздуха при 350-400°С в течение 1 ч и охлаждали, не вынимая из печи, отключив ее. Перед сваркой дополнительной обработки свариваемых кромок не проводили.
Сварку образцов осуществляли на скорости 14 м/ч при токе дуги 95 А. Расход защитного газа аргона составлял 12 л/мин. Полученные результаты представлены в таблице.
Скорость сварки, м/ч
Ток сварки Iсв, А
Параметры импульса
Число дефектных участков на 1 м шва, %
Средний размер дефекта, мм
Коэффициент трещинообразования, %
Примечание
Ток импульса, Iи, А
Длительность импульса, с
14
95
285
0,004
44,5
5,2
16,1
Пористость в шве отсутствует
14
95
333
0,004
8,2
2,7
5,8
14
95
400
0,004
3,4
1,1
3,3
14
95
475
0,004
2,1
1,0
3,7
14
95
523
0,004
2,0
1,2
4,2
Увеличение количества пор в металле шва
14
95
400
0,002
6,7
3,7
15,7
Образование осевого кристаллита в шве
14
95
400
0,003
3,5
3,4
3,2
Дезориентированная мелкозернистая структура шва и проявление эффекта залечивания трещин
14
95
400
0,005
3,3
3,2
2,8
14
95
400
0,006
3,2
3,1
3,5
14
95
400
0,008
3,3
3,3
9,3
Утрата эффекта залечивания трещин
Полученные результаты подтверждают эффективность применения заявляемого способа для сварки алюминиевых сплавов. Наложение на дугу импульсов тока повышает показатели горячеломкости за счет увеличения технологической прочности металла шва в температурном интервале кристаллизации и залечивания зарождающихся трещин под действием периодических гидродинамических колебаний жидкого металла ванны.