Сварка магниевых сплавов кратко

Обновлено: 05.07.2024

Ремонт литых деталей из магниевых сплавов трехфазной дугой

Наибольшее распространение в производстве литых изделий получили литейные магниевые сплавы МЛ5 и МЛ10. Сплав МЛ5 относится к группе высокопрочных сплавов с временным пределом прочности при термообработке по режиму Т6 (закалка + старение) до 260 МПа. Рабочий диапазон температур до 150 °С. Сплав МЛ10 относится к группе жаропрочных сплавов и имеет рабочий диапазон температур до 300 °С. Предел прочности этого сплава ниже, чем сплава МЛ5, и составляет 220 МПа. Оба сплава обладают хорошей демпфирующей способностью.

Производство изделий из магниевых сплавов методом литья сопряжено со значительными трудностями из-за сильной окисляемости и низкой температуры возгорания магния. Дополнительные трудности вызывает сложность магниевого литья, особенно таких изделий, как корпуса редукторов. Они характеризуются высокой степенью жесткости конструкции, резкими переходами от толстой стенки к тонкой, наличием большого количества отверстий и ребер жесткости. Указанные причины вызывают появление в изделиях из магниевых сплавов различного рода дефектов: трещин, неслитин, шлаковых включений, газовых пузырей, пористости. Учитывая высокую стоимость магниевого литья, устранение дефектов осуществляют сваркой. Дефекты, встречающиеся в изделиях из магниевых сплавов, имеют различную конфигурацию, размеры, глубину залегания и проникновения в металл изделия. Наиболее просто и с достаточно высоким качеством устраняются поверхностные дефекты площадью до 1500 мм2. Наиболее трудно устранимыми дефектами, из-за появления горячих трещин в месте заварки, являются сквозные отверстия на тонкой стенке в жестком изделии. Основным технологическим приемом при ремонте таких изделий на предприятиях является общий предварительный подогрев изделия до температуры 380…400 °С, что дает выход годных изделий после заварки на уровне 85…95 %. Применение такого приема в ряде случаев невозможно (механически обработанное изделие в размер с малым полем допуска) и экономически невыгодно (дополнительные энергозатраты, снижение производительности). При использовании широких технологических возможностей сварки трехфазной дугой был разработан ряд эффективных технологий по устранению дефектов магниевого литья, позволяющих ремонтировать изделия без применения общего подогрева с сохранением высокого уровня выхода годных изделий после заварки.

Заварка отверстий на изделии из сплава МЛ10 локальными швами

Сущность этого способа заключается в создании в зоне ремонта тепловой ситуации, обеспечивающей осесимметричность температурного поля, минимальный разогрев дефектного участка и уменьшение темпа деформации кристаллизующегося металла путем наложения микрошвов в противоположных точках разделки с прогревом каждого локального шва на стадии его кристаллизации независимой дугой трехфазной горелки.

Размеры этого отверстия должны превышать размеры самого дефекта, а форма отверстия должна соответствовать конфигурации дефекта. После этого шарошкой выполняют разделку кромок отверстия, обеспечивая угол разделки 40…60 для обеспечения свободного доступа горелки к корню шва. С обратной стороны подготовленной разделки устанавливают технологическую подкладку в виде стальной или медной пластины толщиной 3…5 мм таким образом, чтобы зазор между подкладкой и поверхностью изделия не превышал 0,5…1 мм. Размеры технологической подкладки должны превышать величину разделки так, чтобы расстояние от кромок разделки до края пластины было не менее 15…20 мм. Технологическую подкладку закрепляют специальными прижимами либо асбестовыми листами.

Непосредственно заварка дефектного участка осуществляется двухэлектродной горелкой РГТ-6 от источника питания трехфазной дуги УДГТ-315У2.

Предварительно устанавливаются параметры режима сварки. При толщине стенки ремонтируемого изделия 5…8 мм и диаметре вольфрамовых электродов 4 мм устанавливают значение тока в электродах, равное 100 А, ток в изделии – 170 А, расход аргона – 10 л/мин, расход охлаждающей жидкости – 4 л/мин. Процесс заварки разделанного участка выполняют в следующей последовательности:

  1. установить заданные параметры режима сварки;
  2. включить источник питания с предварительной продувкой горелки аргоном;
  3. зажечь осциллятором или угольным стержнем межэлектродную дугу;
  4. поместить межэлектродную дугу в центр разделки и нагревать технологическую подкладку в течение 3–4 минут;
  5. поднести сварочную горелку к какому-либо краю разделки;
  6. включить цепь средней фазы источника питания нажатием педали ножного пульта управления;
  7. расплавить кромку дефектного участка с образованием сварочной ванны диаметром 10…12 мм;
  8. подать в сварочную ванну присадочный материал в количестве, сопоставимом с объемом сварочной ванны;
  9. выключить ножным пультом управления цепь средней фазы источника питания, не убирая сварочную горелку из зоны ремонта;
  10. прогреть независимой дугой двухэлектродной горелки кристаллизующийся объем локального шва в течение 1…1,5 минуты;
  11. перенести сварочную горелку с горящей межэлектродной дугой в противоположный край разделанного дефектного участка;
  12. повторить операции с 6 по 10 до окончательного заполнения разделки;
  13. наложить последний шов в виде усиления с подачей присадки;
  14. прогреть место окончания заварки независимой дугой в течение 2..3 минут;
  15. отвести горелку от места заварки и выключить дугу.

Разработанная технология в ряде случаев дает положительный эффект, т. е. хорошее сплавление кромок в корне шва и отсутствие горячих трещин (рис. 9), особенно когда изделие не обладает высокой жесткостью, наличием остаточных напряжений в отливке и, что самое важное, если обеспечивается гарантированное сплавление кромок при наложении замыкающего отверстие локального валика. Трудность ситуации заключается в том, что для достижения хорошего сплавления кромок при наложении замыкающего валика требуется значительно увеличить объем сварочной ванны, а это приводит к перегреву дефектного участка, и, несмотря на воздействие на него независимой дуги, наблюдается высокая скорость охлаждения кристаллизующегося металла, и как следствие появление горячих трещин.

Заварка дефекта изделия из магниевого сплава трехфазной дугой

Рис. 9. Заварка дефекта изделия из магниевого сплава трехфазной дугой: а – внешний вид разделки; б – вид заваренного участка

Ремонт тонкостенных деталей на технологической подкладке с выемкой

Реализовать тепловую ситуацию в зоне ремонта, близкую к режиму общего подогрева изделия, и повысить уровень выхода годных изделий при заварке дефектов магниевого литья до 95 % позволила разработанная технология устранения дефектов трехфазной дугой на технологической подкладке с глубокой выемкой методом сквозного проплавления дефектного участка.

Наряду с созданием благоприятной тепловой ситуации, с точки зрения снижения скорости охлаждения металла, а соответственно, и темпа его деформации в процессе кристаллизации сварочной ванны, разработанный способ позволяет гарантировать сплавление кромок в корне шва, что устраняет основной недостаток ранее рассмотренного способа.

Ниже приведен типовой технологический процесс заварки дефектов магниевого литья трехфазной дугой на подкладке с выемкой.

  1. Зачистить шарошкой внешнюю поверхность дефектного участка от литейной корки и окисной пленки. Обратную сторону не зачищать.
  2. Установить со стороны корня шва с помощью прижимов стальную технологическую подкладку с глубокой выемкой. Глубина выемки не менее 8 мм, диаметр – 30 мм. Зазор между подкладкой и поверхностью металла не более 1…2 мм.
  3. Установить параметры режима подогрева технологической подкладки независимой дугой трехфазной горелки. Ток в электродах – 200 А, расход аргона – 5 л/мин, охлаждающей жидкости через горелку – 4 л/мин.
  4. Включить источник питания трехфазной дуги и зажечь независимую дугу с помощью осциллятора или угольного стержня.
  5. Прогреть технологическую подкладку независимой дугой в течение 5…8 мин (при этом достигается температура подкладки 350…380 °С).
  6. Установить режимы сварки, не выключая межэлектродную дугу, с помощью перемещения обмоток сварочного трансформатора на следующие параметры: ток в электродах – 140 А, ток в изделии 230 А, расход аргона оставить прежний.
  7. Поднести горелку к зачищенной поверхности дефектного участка и включить с помощью ножного пульта управления цепь средней фазы источника питания.
  8. Расплавить дефектный участок до полного вытекания металла в выемку технологической подкладки. Следить за тем, чтобы металл дефектного участка оплавился по всему периметру выемки технологической подкладки.
  9. Заварить образовавшуюся полость, интенсивно подавая присадочный материал в виде прутков.
  10. Наварить усиление по всей площади дефектного участка толщиной 2…3 мм и заварить кратер.
  11. Отключить среднюю фазу источника питания ножным пультом управления, не убирая сварочную горелку из зоны ремонта.
  12. Прогреть сварное соединение независимой дугой в течение 3…5 минут.
  13. Выключить сварочную дугу и не ранее чем через 3…4 минуты снять технологическую подкладку.
  14. Удалить механическим путем сформировавшийся проплав со стороны корня шва и зачистить усиление.

Предложенный технологический процесс весьма эффективен с точки зрения повышения технологической прочности сварных соединений, так как трещин в зоне сварки практически не наблюдается (рис. 10). Однако применение такого способа ограничено толщиной ремонтируемого участка и возможностью доступа к обратной стороне дефектного участка. Кроме того, затрудняется использование его в местах залегания дефектов вблизи ребер жесткости, в углах и переходах от тонкого к толстому металлу.

Дефектный участок, заваренный методом сквозного проплавления

Рис. 10. Дефектный участок, заваренный методом сквозного проплавления

Магний и его сплавы являются наиболее лёгкими конструкционными материалами. Плотность магния 1,7г/см 3 , т.е. почти в 1,5 раза меньше плотности алюминия и в 4,5 раза меньше плотности железа. Наиболее распространёнными легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий и цинк.

Магний и его сплавы обладают повышенной чувствительностью к коррозии во многих средах. Это объясняется тем, что оксидная плёнка на поверхности металла рыхлая и не обладает высокими защитными свойствами, как, например, оксидная плёнка на алюминии.

Особенности сварки магния и его сплавов.

Температура плавления оксидной плёнки магния 2800 0 С, плотность 3,65 г/см 3 , поэтому при сварке она затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Оксидная плёнка на магниевых сплавах отличается рыхлостью и способна удерживать большое количество влаги.

Водород способен растворятся в магнии в гораздо больших количествах, чем в алюминии. При температуре плавления металла в нём растворяется до

50см 3 /100г металла и резко снижается при его кристаллизации, поэтому могут возникнуть газовые поры. Высокий коэффициент теплового расширения магниевых сплавов вызывает коробление конструкций.

2.3 Подготовка свариваемых кромок к сварке.

Перед сваркой поверхность кромок свариваемых деталей подвергают специальной обработке для удаления оксидной плёнки и имеющихся загрязнений. Для этого поверхность зачищают шабером или стальными щётками или обрабатывают в химических ваннах специального состава.

2.4 Аргонодуговая сварка магния и его сплавов.

Сварку магниевых сплавов ведут в среде аргона вольфрамовыми и плавящимися электродами. При сварке этими способами исключается опасность коррозии, вызванной остатками флюсов. Основное и наиболее желательное соединение стыковое. Сварка производится на подкладках с глубокими канавками, обеспечивающими удаление оксидных включений и проплавов. В связи с недостаточной пластичностью магниевых сплавов отбортовка кромок не применяется. Встык без скоса кромок рекомендуется сваривать соединения только за один проход при одосторонней сварке на подкладке. Двусторонняя сварка стыковых соединений без разделки кромок не рекомендуется из-за опасности появления в швах большого количества оксидных включений.

При сварке соединений из металла толщиной более 6-10мм применяют разделку с односторонним скосом кромок и для металла толщиной более 20 мм при наличии двустороннего подхода – разделку с двусторонним скосом кромок. В последнем случае перед выполнением шва с обратной стороны необходима предварительная разделка корня первого шва.

Ручной и автоматической сваркой вольфрамовым электродом встык без разделки кромок за один проход могут быть сварены листы толщиной от 2 до 6 мм. Для металла толщиной более 5 мм может быть использована дуговая сварка плавящимся электродом со струйным переносом электродного металла. Процесс ведётся на постоянном токе обратной полярности. Сварка плавящимся электродом особенно эффективна для соединения металла большой толщины. При сварке встык без скоса кромок за один проход плавящимся электродом могут быть сварены листы толщиной от 5 до 10 мм.

1. Особенность оксидной пленки, образующейся на поверхности магния и его сплавов.

2. Что является причиной образования газовых пор при сварке магния и его сплавов?

3. Почему не рекомендуется двухсторонняя сварка без разделки кромок?

4. В каких случаях рекомендуется сварка встык без разделки кромок?

5. В чем особенность подкладок для сварки магния и его сплавов?

6. В каком случае применяется сварка с разделкой корня шва?

7. В каком случае особенно эффективна сварка плавящимся электродом?

Магниевые сплавы имеют малую плотность и вместе с тем обладают высокими прочностными свойствами. Магний примерно в 1,5 раза легче алюминия и в 4,5 раза легче стали. Эти свойства и определяют широкое применение магниевых сплавов во многих отраслях народного хозяйства. Магниевые сплавы по способу производства делятся на литейные и деформируемые. Легирующими добавками в магниевых сплавах являются алюминий (Al), марганец (Mn), цинк (Zn), цирконий (Zr) и некоторые другие редкоземельные элементы, алюминий (Аl) и цинк (Zn) повышают прочностные характеристики магния, марганец повышает коррозионную стойкость.

Сварка магния затрудняется из-за низкой теплопроводности, близости температур плавления и воспламенения, высокого коэффициента линейного расширения и большого химического сродства магния к кислороду. Поверхность магния и его сплавов покрыта тугоплавкой пленкой MgO, температура плавления которой около 2500°С. При газовой сварке магния и его сплавов необходимо удалять в процессе сварки оксидную пленку и тщательно защищать расплавленную ванну от ее взаимодействия с кислородом и азотом воздуха и парами воды.

Для этой цели при газовой сварке магния и магниевых сплавов применяют флюсы на основе хлористых и фтористых солей. При этом флюс должен ошлаковывать тугоплавкую оксидную пленку магния. Хлористые флюсы можно применять при сварке малоответственных деталей, а также в тех случаях, когда сварные соединения после сварки подвергают специальной обработке. Фтористые флюсы не вызывают коррозии, но они менее технологичны. Плотность фторидных флюсов превышает плотность сварочной ванны, поэтому частицы флюса могут оставаться в металле шва. При газовой сварке магниевых сплавов нашли применение следующие основные марки флюсов: МФ-1, ВФ-156, № 13, ПО. Флюсы готовят как методом расплавления, так и методом механического перемешивания. Перед сваркой флюс разводят до пастообразного состояния и наносят кистью тонким слоем по обе стороны шва.

При газовой сварке магниевых сплавов основное применение получили стыковые соединения; тавровые, угловые и нахлесточные соединения не рекомендуются. Магниевые сплавы толщиной до 1,2 мм сваривают без применения присадочного металла с отбортовкой кромок. Отбортованные кромки должны плотно прилегать друг к другу. Магниевые детали толщиной до 3 мм сваривают встык без разделки кромок. При толщине металла свыше 3 мм выполняют V-образную разделку кромок с углом раскрытия 30-35°. В зависимости от толщины зазор изменяется от 1,5 до 3,0 мм, а величина притупления составляет 1,2-2,5 мм.

Перед сваркой поверхности свариваемых кромок должны быть тщательно очищены от пленки и оксидов. Очистку осуществляют как механическим способом (металлическими щетками), так и химическим (в специальных растворах). Оксидную пленку удаляют обработкой детали в 18%-ном растворе хромовой кислоты при температуре 90-100°С в течение 5 мин. После травления детали промывают в горячей воде при температуре 50-60°С, а потом в холодной воде. Промытые детали сушат на воздухе.

В качестве присадочного материала при сварке магниевых сплавов применяют прессованную проволоку или прутки из сплава, имеющего одинаковый химический состав с основным металлом. Присадочный металл перед сваркой необходимо протравить в 20%-ном растворе азотной кислоты. Присадочный металл в процессе сварки должен быть все время погружен в сварочную ванну. Для сварки магниевых сплавов применяется нормальное пламя. Мощность сварочного пламени выбирают из расчета расхода ацетилена 75-100 дм 3 /ч на 1 мм толщины свариваемого металла. Сварка ведется восстановительной зоной сварочного пламени, расстояние от конца ядра до свариваемой поверхности 3 мм. Детали толщиной до 5 мм сваривают левым способом; а более 5 мм - правым способом сварки. Угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемых деталей толщиной до 5 мм составляет 30-45°, а при большей толщине - 45-60°. Угол наклона присадочного прутка к свариваемой поверхности 40-50°. При сварке деталей толщиной до 3 мм поперечных колебаний горелкой и присадочным прутком не делают, при сварке деталей больших толщин горелке и присадке сообщают различные поперечные колебания. Сварку деталей толщиной более 5 мм рекомендуется выполнять с предварительным подогревом до температуры 300-350°С.

Чистый магний плавится при температуре 650°. Простые бинарные сплавы магния (MA1, МА8) плавятся также при этой температуре. Плавление более сложных сплавов происходит в широком интервале температуры в пределах 460-650°. Удельная теплоемкость магния примерно равна таковой для алюминия, а скрытая теплота плавления вдвое меньше. Теплопроводность магния ниже теплопроводности алюминия, но вдвое превышает теплопроводность малоуглеродистой стали. Магний активнее, чем алюминий, соединяется с кислородом, образуя пленку окиси MgO. Однако эта пленка менее прочна, чем пленка окиси алюминия, и не защищает металл от коррозии. Поэтому магний и его сплавы неустойчивы против коррозии.

Магний и его сплавы обладают небольшими прочностью и пластичностью, однако путем легирования удалось предел прочности магниевых сплавов довести до 24-26 кг/мм 2 и даже выше, что приблизило удельную прочность этих сплавов к удельной прочности стали. Наибольшее влияние на упрочнение магния оказывают алюминий и цинк. Содержание указанных элементов в магниевых сплавах составляет 6-9% А1 и до 2% Zn. Эта группа сплавов подвергается термической обработке: закалке с последующим старением.

Простейшие сплавы магния содержат 1,3-2,5% марганца (так называемые бинарные сплавы магний - марганец) и термической обработке не подвергаются. Марганец в магниевых сплавах повышает устойчивость сплава против коррозии и способствует измельчению зерна. Помимо бинарных сплавов с магнием, марганец в количестве 0,3-0,5% присутствует почти во всех магниевых сплавах. Кроме указанных элементов, в магниевых сплавах имеются в небольшом количестве и другие элементы.

Так, например, бериллий (0,01-0,003%) добавляется с целью создания окисной пленки на жидком магнии для предохранения его от горения. Титан (0,2-0,4%) или селен (около 0,5%) повышают пластичность сплава, вызывая измельчение зерна. Остальные примеси в магнии случайны, и их содержание ограничивается 0,3-0,65%.

Различают деформируемые магниевые сплавы (MA1, МА2, МАЗ и МА8) и литейные (МЛ4, MJI5 и MJI6). Из первой группы сплавов магний МА1 и МА8 наиболее близки к чистому магнию, но вследствие высокого содержания марганца они наиболее коррозиеустойчивы из всех остальных магниевых сплавов.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Ввиду высокой теплопроводности и большой скрытой теплоты плавления магниевых сплавов, при их сварке необходимо применять источник тепла с высокими общей мощностью и удельной интенсивностью.

Низкая температура плавления и незначительная разница в температурах начала и конца плавления этих сплавов требуют при их сварке особой осторожности и большого опыта для того, чтобы избежать проплавлений и прожогов металла.

Пленка окиси магния при сварке создает меньшие затруднения, чем пленка окиси алюминия, так как она не является непрерывной и не так плотно прилегает к поверхности сплава. Но окись магния плавится при температуре свыше 2500° и не растворяется в расплавленном магнии. Поэтому при сварке окись магния нужно удалять. При газовой сварке этого достигают применением флюсов, а при аргоно-дуговой и контактной сварке предварительной специальной очисткой поверхности магния в месте сварки.

Высокая склонность магния к окислению является причиной легкости его воспламенения на воздухе. При сварке металлической дугой с плавящимся электродом опасность воспламенения магния резко увеличивается в момент перехода капель электродного металла через дуговой промежуток в шов. Эта опасность отсутствует при аргоно-дуговой сварке благодаря применению неплавящегося электрода и защитной среде из инертного газа.

Помимо интенсивного окисления, магниевые сплавы при нагревании до температур, близких к температуре плавления, активно соединяются с азотом, образуя нитрид магния. Вступая в реакцию с водяным паром, магний соединяется с кислородом с образованием MgO, а освобожденный водород растворяется в расплавленном металле, вызывая пористость шва после затвердевания.

По другим данным нитрид магния разлагается водой на гидрат окиси магния и аммиак. Присутствие в сплаве окиси и нитридов магния снижает все показатели механических свойств магниевых сплавов, в особенности ударную вязкость.

Сплавы магния, содержащие алюминий, склонны к микропористости. Это обусловлено широким интервалом температур плавления данных сплавов с образованием внутридендритных усадочных раковин. От этого дефекта свободны бинарные сплавы магния - марганца, которые, однако, склонны к росту зерна при нагреве. Размер зерна увеличивается с температурой и временем нагрева (фиг. 197).


Поэтому в местах больших прихваток и повторных проплавлений заметен большой размер зерен.


Увеличение же размера зерна ведет к снижению механических свойств сплава (фиг. 198). Поэтому понижение механических свойств сварных соединений бинарных сплавов Mg+Mn (MA1), по сравнению с основным металлом, объясняется ростом зерна в переходной зоне. Для предупреждения роста зерна к бинарным сплавам добавляют присадку церия (сплав МА8) или кальция.

Добавка церия улучшает механические свойства бинарных сплавов, в частности, повышает сопротивление ползучести.

Однако при сварке бинарных сплавов, содержащих церий, параллельно шву в зоне сплавления образуются трещины. Предупреждение -трещинообразования достигается добавкой алюминия (1%), в-сплав, содержащий 0,2-0,3% церия.

Последнее объясняется следующим. При нагреве до высокой температуры сплава, содержащего церий без алюминия, по границам зерен выпадает хрупкая составляющая CeMg9, которая под действием усадочных напряжений в процессе сварки разрушается.

Добавка алюминия приводит к образовайию СеА12, ввиду чего предупреждается образование CeMg9. Соединение СеА12 равномерно распределено в дисперсной форме по всему сплаву.

Наличие цинка может вызвать образование трещин во время сварки ввиду резко выраженной склонности такого сплава и красноломкости. Тройные сплавы, магний - цинк - марганец, более склонны к образованию трещин, чем бинарные сплавы с марганцем, и поэтому не рекомендуются для изделий, свариваемых обычными методами.

(Если в процессе работы с магнием нужно расчитать вес проката по его габаритным размерам, то применяется специальный калькулятор металла).

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Читайте также: