Исследование технологических особенностей гибридной плазменно-дуговой сварки алюминиевых сплавов

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ГИБРИДНОЙ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Коржик В.Н.

доктор технических наук,

Директор по науке Китайско-украинского института сварки им. Е.О.Патона (Гуандунский Институт сварки),

Гуанчжоу, Китай,

Руководитель отдела Института электросварки им. Е.О.Патона Национальной академии наук Украины, г. Киев,

Украина

Хаскин В.Ю.

доктор технических наук,

Ведущий научный сотрудник Китайско-украинского института сварки им. Е.О.Патона (Гуандунский Институт

сварки), Гуанчжоу, Китай,

Ведущий научный сотрудник Института электросварки им. Е.О.Патона Национальной академии наук Украины, Киев,

Украина

Гринюк А.А.

Научный сотрудник Института электросварки им. Е.О.Патона Национальной академии наук Украины, Киев, Украина

Бабич А.А.

Научный сотрудник Китайско-украинского института сварки им. Е.О.Патона (Гуандунский Институт сварки),

Гуанчжоу, Китай,

Научный сотрудник Института электросварки им. Е.О.Патона Национальной академии наук Украины, Киев, Украина

Сутковой А.Д.

Старший инженер ТОВ «Внешнеэкономическое представительство Китайско-украинского Института сварки им.

Е.О.Патона», Киев, Украина

Олейниченко Т.В.

Старший инженер ТОВ «Внешнеэкономическое представительство Китайско-украинского Института сварки им.

Е.О.Патона», Киев, Украина

THE STUDY OF THE TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF HYBRID PLASMA ARC WELDING OF ALUMINUM ALLOYS

Korzhyk V., Doctor of Technical Sciences, Science Director of the Guangdong Institute of Welding (China-Ukraine E. O. Paton Institute of Welding), Guangzhou, China, - Head of Department of the Paton Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Kiev, Ukraine

Khaskin V., Doctor of Technical Sciences, - Senior Research of the China-Ukraine E. O. Paton Institute of Welding, Guangzhou, China, Senior Research of the Paton Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Kiev, Ukraine Grynyuk A., Research associate of the Paton Welding Institute of the National Academy of Science of Ukraine, Kiev, Ukraine Babych O., Research associate of the E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of the Science of Ukraine, Kiev, Ukraine, Research associate of the E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of the Science of Ukraine, Kiev, Ukraine

Sutkovoi A., Senior engineer of the Foreign trade of the Chinese-Ukrainian E.O. Paton Welding Institute, Ltd Kiev, Ukraine Oleinychenko T., Senior engineer of the Foreign trade of the t Foreign trade of the Chinese-Ukrainian E.O.Paton Welding Institute, Ltd., Kiev, Ukraine

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена исследованию технологических особенностей процесса гибридной плазменно-дуговой сварки плавящимся электродом с осевой подачей проволоки алюминиевых сплавов системы Al-Mg. Показана возможность уменьшения этим способом ширины швов на 22% при снижении массы используемой сварочной проволоки на 13% по сравнению с импульсной дуговой сваркой плавящимся электродом. При этом погонная энергия снижается почти на 40%, что приводит к некоторому увеличению твердости (на 2-3%) и прочности (на 3-4%) соединений.

ABSTRACT

The article inve^igates the technological features of the hybrid process of plasma-arc welding with consumable electrode with axial feed wire of aluminum alloys Al-Mg sy&em. The possibility of reducing the width of the seams in this manner by 22% while reducing the weight of welding wire is used by 13% compared with pulsed arc welding with consumable electrode. Thus heat input is reduced by almoS 40%, which leads to some increase in hardness (2-3%) and Srength (at 3-4%) compounds.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, сжатая дуга, дуга плавящегося электрода, гибридная плазменно-дуговая сварка, электродные проволоки, технологические эксперименты.

Keywords: aluminum alloys, plasma arc, arc melting electrode, hybrid plasma-arc welding, the electrode wire, technological experiments.

Сплавы на основе алюминия широко применяются во числе в авиакосмической, судостроительной, автомобиле-многих современных отраслях промышленности, в том строительной, железнодорожной и др. [1, 2]. Из этих спла-

вов изготавливают различные конструкции и изделия с применением тех или иных сварочных технологий с целью достижения снижения массы по сравнению со стальными аналогами. При этом, в основном, применяются дуговые сварочные технологии. Дальнейшее снижение массы сварных конструкций, а также повышение их надежности и ресурса работы, связано с сужением сварного шва и улучшением его механических свойств. Для этого целесообразно применять более прогрессивные сварочные технологии. Одной из таких технологий является появившаяся недавно гибридная плазменно-дуговая сварка плавящимся электродом с осевой подачей проволоки [3]. При таком способе сварке в плазмотроне применяется трубчатый катод, через который подается электродная проволока для сварки дугой плавящегося электрода. Одновременно с этим, с трубчатого катода на свариваемую деталь через плазмообразующее сопло действует сжатая дуга.

Химический состав свари

Целью данной работы является исследование технологических особенностей процесса гибридной плазменно-ду-говой сварки плавящимся электродом с осевой подачей проволоки для определения его возможностей по сварке алюминиевых сплавов системы Al-Mg и сравнения получаемых результатов с результатами сварки аналогичных материалов традиционным способом импульсной дуговой сварки плавящимся электродом.

Для достижения поставленной цели провели ряд технологических исследований сварки образцов из алюминий-магниевых сплавов марок 5083 и 1561 с прочностью до 370 МПа. В качестве электродных применяли проволоки из сплавов марки 5183 и 5356 (для сплава 5083), а также Св-АМг61 или ее европейский аналог Ok. Autrod 18.22 (производство фирмы "ESAB") (для сварки сплава 1561). Химические составы указанных сплавов приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1.

1емых образцов (5=5 и 8 мм).

Сплав Норм. доку -мент Mg Mn Cu Fe Si Cr Zn Ti Zr Be

5083 EN 5733 4,0-4,9 0,4-1,0 0,1 0,4 0,4 0,050,25 0,25 0,100,15 - 0,005

1561(АМг61) ОСТ 1 9201490 5,5-6,5 0,7-1,1 0,1 0,4 0,4 0,2 0,020,12 0,00010,003

Режимы гибридной плазменно-дуговой сварки подбирали на образцах размером 400*200*5 мм, выполненных из указанных в табл.1 сплавов. Отрабатывали режимы сварки стыковых соединения листов толщиной 5 = 5 и 8 мм. При этом применяли разработанный в ИЭС им. Е.О. Патона специализированный комплекс оборудования, в состав которого входили [4]: инверторный сварочный источник питания для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом TIG AC-DC EVO 450/T Robot, плазменный модуль FPM,

Химический состав электрс

EVO Speed Star 520 TS Robot, блоки автономного охлаждения, плазмотрон для машинной гибридной плазменно-дуго-вой сварки плавящимся электродом с осевой подачей проволоки, многопозиционный лабораторный манипулятор на базе сварочной колонны и вращателя, общая система управления комплексом гибридной сварки. Для формирования швов с более равномерной поверхностью без включений оксидной плены сварочный гибридный плазмотрон снабдили дополнительным соплом газовой защиты (рис.1).

Таблица 2.

юй проволоки (01,2 и 1,6 мм).

Марка Mg Mn Cu Fe Si Cr Zn Ti Zr Be

ER5183 4,3-5,2 0,5-1,0 0,1 0,4 0,4 0,05-0,25 0,25 0,02-0,15 - 0,0003

ER5356 4,5-5,5 0,08-0,2 0,1 0,4 0,4 0,05-0,25 0,1 0,06-0,20 - 0,0005

С в - АМг61 5,8-6,8 0,5-0,8 0,1 0,4 0,25 - 0,2 0,02-0,10 - 0,00020,005

O k . Autrod 18.22 5,5-6,2 0,8-0,9 0,05 0,2 0,4 0,2 0,02-0,20 0,02-0,10 0,005

а) б)

Рис. 1. Внешний вид плазмотрона с дополнительным защитным соплом для гибридной плазменной сварки с плавящимся электродом.

Для определения влияния соотношения между мощностью сжатой дуги неплавящегося электрода и дугой плавящегося электрода выполняли наплавки на лист из алюминиевого сплава 5083 толщиной 8,0 мм. Режим гибридной плазменной сварки плавящимся электродом выбирали исходя из условия неполного проплавления листа. Во всех опытах расстояние между плазмообразующим соплом и образцом составляло 6,0 мм. Это расстояние выбрано из условия обеспечения вылета электрода (расстояния от токоподводя-щего наконечника для электродной проволоки) в диапазоне 16 - 18 мм. При этом достигается минимальное забрызги-вание плазмообразующего и защитных сопел гибридного плазмотрона.

Режимы гибридной плазменно-дуговой сварки, выбранные мые швы.

На первом этапе исследовали влияние тока сжатой дуги на геометрические параметры наплавленного шва и глубину проплавления. При этом скорость перемещения сварного образца составляла 0,6 м/мин, скорость подачи электродной проволоки, расходы центрального, плазмообразующего и защитного газа оставались неизменными. Режимы сварки приведены в табл.3.

Поперечные сечения швов, полученных гибридной плазменной сваркой плавящимся электродом диаметром 1,2 мм на листе сплава 5083 толщиной 8,0 мм при постоянной скорости подачи проволоки 10 м/мин и изменении тока сжатой дуги от 50 до 150 А представлены на рис.2.

Таблица 3.

для определения влияния параметров процесса на получае-

№ п/п Ток сжа- Напряже- Расход Ток дуги Напряже- Скорость Диаметр Расход Расход за-

той ду- ние сжа- плазмоо- плавя - ние дуги подачи электрод- централь- щитного

ra,IPL, А той ду- бразую - щ е г о с я плавя - электрод- ной про- ного газа газа, Q3.r.,

гиUPL, В щего га- электро- щ е г о с я ной про- волоки QMIG, л/ л/мин

заQPL, л/ даШЮ, А электрода волоки, dпр, мм мин

мин имю, В Vпр, м/

мин

1 50 16,8 5,0 142 13,4 10,0 1,2 7,0 30,0

2 100 23,7 135 13,4

3 150 26,3 133 13,6

а) б) в)

Рис. 2. Поперечные сечения наплавочных швов на сплаве 5083, полученные гибридной плазменной сваркой с плавящимся электродом при постоянной скорости подачи электродной проволоки и изменении тока сжатой дуги: а) - 50 А; б) - 100 А; в) - 150 А.

Увеличение тока сжатой дуги при постоянном значении скорости подачи приводит в первую очередь к увеличению глубины проплавления пластины из сплава 5083 толщиной 8,0 мм от 2,2 мм до 3,6 мм. При этом ширина валика на токах плазмы 50 А и 100 А оставалась неизменной и составляла 6,4 мм, а с увеличением тока плазмы до 150 А ширина валика возросла до 8,4 мм. С ростом величины тока плазмы с 50 до 150 А при неизменных значениях скорости подачи проволоки увеличивалась высота валика с 3,3 до 4,0 мм. Увеличение размеров наплавленного валика при неизменной скорости подачи электродной проволоки свидетельствует

об уменьшении степени разбрызгивания металла проволоки при увеличении тока плазмы с 50 до 150 А.

Для определения влияния скорости подачи электродного металла на параметры проплавления при гибридной плазменной сварке плавящимся электродом выполняли наплавку на пластины 5083 толщиной 8,0 мм. При этом скорость перемещения сварного образца составляла 0,6 м/мин, ток сжатой дуги 100 А, расходы центрального, плазмообразую-щего и защитного газа оставались неизменными. Поперечные сечения наплавочных швов на пластинах из сплава 5083 толщиной 8,0 мм представлены на рис.3, а режимы сварки - в табл.4.

а) б)

Рис. 3. Поперечные сечения швов на сплаве 5083, полученные гибридной плазменной сваркой с плавящимся электродом при постоянном токе сжатой дуги 100 А и различных скоростях подачи электродной проволоки: а) - 10 м/мин; б) - 12,5 м/ мин.

Таблица 4.

Режимы гибридной плазменно-дуговой сварки наплавочными швами образцов из сплава 5083 (5=8 мм) электродной проволокой ER5356 (01,2 мм).

№ п/п Ток сжа- Напряже- Расход Ток дуги Напряже- Скорость Диаметр Расход Расход за-

той ду- ние сжа- плазмоо- плавя - ние дуги подачи электрод- централь- щитного

ra,IPL, А той ду- бразую - щегося плавя - электрод- ной про- ного газа газа, Q3.r.,

raUPL, В щего га- электрода щегося ной про- волоки QMIG, л/ л/мин

заQPL, л/ 1МЮ, А электрода волоки, dпр, мм мин

мин имю, В Vпр, м/

мин

1 100 23,7 5,0 135 13,4 10,0 1,2 7,0 30,0

2 100 25,4 155 17,4 12,5

Из анализа данных таблицы 4 следует, что повышение скорости подачи электродной проволоки вызывает увеличение тока и напряжения дуги плавящегося электрода, как и напряжение сжатой дуги при неизменном значении ее тока. Увеличение скорости подачи электродной проволоки вызывает увеличение размеров наплавленного валика

так и глубину проплавления как за счет увеличения мощности сжатой дуги (рост напряжения с 23,7 В до 25,4 В), так и за счет увеличения мощности дуги плавящегося электрода (увеличение тока и напряжения). Напряжение на дуге плавящегося электрода выставляли исходя из условия обеспечения короткой дуги и формирования мелких капель.

При увеличении скорости подачи электродной проволоки до 12,5 м/мин шов приобретает треугольную форму по сравнению округлой формой при скорости подачи 10 м/мин. Влияние диаметра электродной проволоки на энергетические характеристики гибридной плазменной сварки плавящимся электродом и параметры проплавления оценивали

Режимы гибридной плазменно-дуговой сварки наплавоч проволокой ER5356 (01,2 и 1,6 мм).

на сварных швах, выполненных проволокой ER5356 диаметрами 1,2 мм и 1,6 мм на пластины толщиной 8,0 мм из алюминиевого сплава 5083. Параметры режимов гибридной плазменной сварки плавящимся электродом проволоками диаметром 1,2 мм и 1,6 мм при скорости сварки 0,6 м/мин приведены в табл.5.

Таблица 5.

>ши швами образцов из сплава 5083 (5=8 мм) электродной

№ п/п Ток сжа- Напряже- Расход Ток дуги Напряже- Скорость Диаметр Расход Расход за-

той ду- ние сжа- плазмоо- плавя - ние дуги подачи электрод- централь- щитного

ra,IPL, А той ду- бразую - щ е г о с я плавя - электрод- ной про- ного газа газа, Q3.r.,

raUPL, В щего га- электро- щ е г о с я ной про- волоки QMIG, л/ л/мин

заQPL, л/ даВМЮ, А электро- волоки, d^, мм мин

мин даиМШ, Vпр, м/

В мин

1 100 25,4 5,0 155 17,4 12,5 1,2 7,0 30,0

2 100 24,6 165 17,4 7,4 1,6

Скорость подачи электродных проволок выбирали исходя из обеспечения равного количества подаваемого металла. Поперечные сечения швов, выполненных на пластинах из сплава 5083 (5=8,0 мм) с использованием проволок диаметром 1,2 мм и 1,6 мм, представлены на рис.4.

При использовании проволоки диаметром 1,2 мм наблюдается незначительное увеличение глубины проплавления. Это обусловлено увеличением плотности тока в пятне нагрева дугой плавящегося электрода в связи с меньшим диаметром электродной проволоки.

а) б)

Рис. 4. Поперечные сечения швов на пластинах из сплава 5083, полученные Р^та-МЮ гибридной плазменной сваркой плавящимся электродом с использованием проволоки диаметром 1,2 мм (а) и диаметром 1,6 мм (б).

После проведения описанных технологических исследований был выбран режим гибридной плазменно-дуговой сварки, на котором проводилась встык сварка образцов из сплава 1561 (5=5,0 мм) для механических испытаний. Аналогичные образцы были получены традиционной импуль-сно-дуговой сваркой с использованием дуги плавящегося электрода [1]. Сварку вели в нижнем положении в защитной среде аргона с использованием подкладок с формирующей нижний валик усиления канавкой при скорости 0,6 м/мин. Сравнивали результаты применения обоих методов.

Использование гибридной плазменно-дуговой сварки по сравнению с традиционной сваркой дугой плавящегося электрода при одинаковой скорости ведения процесса позволяет уменьшить ширину шва с 13,8 мм до 10,7 мм (на

22%), снизить 13% количество используемого для формирования шва проволоки. При этом на 39% уменьшается величина погонной энергии, что благоприятно сказывается на повышении прочностных характеристик и уменьшении ширины зоны разупрочнения основного металла под воздействием тепла сварочной дуги.

Сравнение распределений твердости в поперечных сечениях сварных соединений сплава 1561, полученных традиционной импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом в среде аргона и гибридной сваркой с плавящимся электродом, представлено на рис.5. Из него следует, что гибридная сварка приводит к некоторому (2-3%) увеличению твердости соединений.

rj L-

37 3£> Г.

—•—Plasma —л. ЛИТ rvtIG

^ S3 11 HI

— 3d

7(5 С "

5 /Ъ < 75"

J 74 73 72 .

73

о

6 S 10 12 14 1.6 IS 2 PHL'OiaHHICL' ИМ 411' II III ПЛ. мч

Рис. 5. Распределение твердости в поперечном сечении сварных соединений, полученных импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом (МЮ) и гибридной плазменной сваркой с плавящимся электродом (Р1авта-МЮ) листов толщиной 5,0 мм из сплава 1561 при скорости сварки 0,6 м/мин.

Сравнение показателей прочности сварных образцов при статическом нагружении со снятым валиком нижнего усиления шва (проплавом), а также со снятыми нижним и верхнем усилениями шва, представлены на рис.6 для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом и гибрид-

ной плазменно-дуговой сварки с плавящимся электродом. Из этого сравнения следует, что исследуемый способ сварки позволяет повышать прочность соединений из сплава 1561 на 3-4% по сравнению с традиционным.

Рис. 6. Показатели прочности при статическом растяжении сварных соединений, полученных импульсно-дуговой сваркой плавящимся электродом (МЮ) и гибридной плазменной сваркой с плавящимся электродом (Р1авта-МЮ) образцов толщиной 5,0 мм из сплава 1561 при скорости сварки 0,6 м/мин.

Выводы.

1. Проведенное исследование технологических особенностей процесса гибридной плазменно-дуговой сварки плавящимся электродом с осевой подачей проволоки алюминиевых сплавов системы Al-Mg показало возможность уменьшения ширины швов на 22% при снижении массы используемой сварочной проволоки на 13% по сравнению с импульсной дуговой сваркой плавящимся электродом.

2. Гибридная плазменно-дуговая сварка с плавящимся электродом алюминиевых сплавов системы Al-Mg позволяет снизить почти на 40% погонную энергию по сравнению с импульсной дуговой сваркой плавящимся электродом, что значительно снижает остаточные деформации, а также благоприятно сказывается на повышении прочностных характеристик и уменьшении ширины зоны разупрочнения основного металла.

3. Установлено, что гибридная плазменно-дуговая сварка с плавящимся электродом приводит к некоторому (2-3%) увеличению твердости соединений алюминиевых сплавов

системы Al-Mg, а также повышению их прочности на 3-4% по сравнению с традиционной импульсной дуговой сваркой плавящимся электродом.

Примечание. Работа выполнялась при поддержке Программы иностранных экспертов КНР №.WQ20124400119 (Chinese Program of Foreign Experts No.WQ20124400119), Программы инновационной группы провинции Гуандун, КНР № 201101C0104901263 (Guangdong Innovative Research Team Program No.201101C0104901263, China), проекта Гу-андунской ключевой лаборатории современной технологии сварки № 2012A061400011, КНР (Project of Guangdong Provincial Key Laboratory No. 2012A061400011, China).

Литература

1. Рабкин Д.М. Металлургия сварки плавлением алюминия и его сплавов / Д.М. Рабкин. - Киев: Наук. думка, 1986. - 256 с.

2. Зусин В.Я., Серенко В.А. Сварка и наплавка алюминия и его сплавов. - Мариуполь, 2005. - 468 с.

3. Основные тенденции развития плазменно-дуговой сварки алюминиевых сплавов / А.А. Гринюк, В.Н. Коржик, В.Е. Шевченко и др. // Автоматическая сварка, №11. - 2015. - С. 39-50.

4. Гибридные технологии сварки алюминиевых сплавов на основе дуги с плавящимся электродом и сжатой дуги /

А.А. Гринюк, В.Н. Коржик, А.А. Бабич, В.И. Ткачук, С.И. Пелешенко // Автоматическая сварка, №5-6. - 2016. - С. 107-113.