НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

П О К Л Я Ц Ь К И Й

Анатолій Григорович

УДК 621.791.75.053:669.715

ОСОБЛИВОСТІ УТВОРЕННЯ ТА МЕТОДИ ЗАПОБІГАННЯ ОКСИДНИХ ВКЛЮЧЕНЬ У ШВАХ ПРИ ЗВАРЮВАННІ АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ ПУЛЬСУЮЧОЮ ДУГОЮ

Спеціальність 05.03.06“

Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України

Іщенко Анатолій Якович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

завідуючий відділом.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук Воропай Микола Маркович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник.

Доктор технічних наук, професор Зусін Володимир Якович, Приазовський державний технічний університет (м. Маріуполь), професор кафедри “Металургія і технологія зварювального виробництва”.

Провідна установа: Національний технічний Університет України “Київський політехнічний інститут”, Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 22 ” січня 2003 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Автореферат розісланий “ 10 “ грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради

доктор технічних наук Кіреєв Л.С.

Загальна характеристика роботи

Серед перспективних конструкційних матеріалів у різних галузях машинобудування значне місце займають алюмінієві сплави. Завдяки низькій питомій вазі (g = (2,47...2,84) Ч103 кг/м3) і високій міцності (sВі 400 МПа, s0,2 і 300 МПа) вони забезпечують достатньо високу експлуатаційну надійність конструкцій. Проте, підвищена схильність до утворення гарячих тріщин, пористості та включень оксидної плівки у швах ускладнюють отримання якісних зварних з'єднань, необхідних при виготовленні конструкцій відповідального призначення.

Актуальність теми. При дуговому зварюванні алюмінієвих сплавів неплавким електродом в аргоні основним дефектом є включення оксидної плівки в металі швів. Залишаючись у донній частині зварювальної ванни, незруйновані оксидні плівки утворюють в швах дефекти у вигляді несплавлення, різко знижуючи механічні властивості з'єднань, герметичність конструкцій та їх експлуатаційні характеристики.

До зварних конструкцій відповідального призначення пред'являються підвищені вимоги, тому максимально допустимі розміри окремих включень оксидної плівки, які залишаються у швах, регламентовані нормативними документами, а протяжні дефекти підлягають видаленню з повторними підварками дефектних ділянок швів.

Проблема запобігання утворення включень оксидної плівки в швах при дугових способах зварювання була предметом численних досліджень вчених і спеціалістів у галузі зварювання алюмінієвих сплавів. Відомі теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють визначити основні причини утворення оксидних включень у швах і деякі технологічні засоби для скорочення кількості цих дефектів. Проте, протяжність включень оксидної плівки у швах при звичайному аргонодуговому зварюванні змінним синусоїдним струмом все ще зберігається на високому рівні і проблема запобігання їх у швах є дуже актуальною для сучасних конструкцій відповідального призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відділі фізико-металургійних процесів зварювання легких і кольорових металів Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України у відповідності з планами НДР ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України по темах 0.72.01.01.18.Н від 29.12.81 р., № 515/271, затвердженої Постановою ДКНТ СРСР і Держплану СРСР; 1.6.1.7.33 від 25.12.89 р., прот № 18, затвердженої Постановою Бюро ВФТПМ НАН України; 06.07.00/051-92 від 01.03.93 р., № 15, затвердженої Постановою ДКНТ України; 1.6.1.7.2 від 16.05.94 р. прот. № 7, затвердженої Постановою Бюро ВФТПМ НАН України.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – розробити технологічні рекомендації по запобіганню включень оксидної плівки у швах при зварюванні алюмінієвих сплавів для підвищення міцності та герметичності виробів.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити такі наукові і прикладні завдання:

·

· Дослідити особливості утворення та руйнування оксидних включень при зварюванні алюмінієвих сплавів пульсуючою дугою;

· Визначити оптимальні параметри імпульсів струму для імпульсно-дугового зварювання, які забезпечують очищення металу шва від оксидних включень;

· Розробити технологічні методи запобігання оксидних включень у швах при імпульсно-дуговому зварюванні алюмінієвих сплавів неплавким електродом і впровадити у виробництво рекомендації для промислового виготовлення конструкцій відповідального призначення.

Об'єкт дослідження – листові напівфабрикати зі сплаву АМг6 масового використання для виготовлення конструкцій ракетно-космічної техніки, транспортного машинобудування і т.п.

Предмет дослідження – процеси утворення – руйнування оксидної плівки, параметри зварювального струму, зразки стикових зварних з'єднань, їх структура та механічні властивості.

Методи дослідження. Технологічні дослідження проводились з використанням серійних джерел живлення УДГ-501 і спеціальних джерел живлення І-126, І-160, І-196, MW-450, які дозволяють виконувати імпульсно-дугове і плазмово-дугове (І-196) зварювання неплавким електродом в аргоні прямокутним струмом.

Вплив різних технологічних факторів на характер окислення кромок і особливості руйнування оксидної плівки досліджені в однакових умовах при дуговому зварюванні неплавким електродом стикових з'єднань листів сплаву АМг6 товщиною 6 мм, попередньо зібраних з гарантованою встановленою величиною зазору (b=1,2 мм) в стику, при якій відбувається найбільш інтенсивне окислення зварюваних поверхонь, що приводить до утворення включень оксидної плівки в швах. Залежність проплавляючої спроможності дуги від коефіцієнтів часової і амплітудної асиметрії різнополярного прямокутного струму вивчали на поперечних макрошліфах, вирізаних із наплавок, отриманих без присадкового дроту на листах сплаву АМг6 товщиною 8 мм і 14 мм. Ефективність застосування різних технологічних засобів і способів зварювання визначали по відносній протяжності включень оксидної плівки (lО.П., мм/1 пог. м шва) та максимальній довжині окремих дефектів (lmax, мм) на поздовжніх зламах швів загальною довжиною 4 м. Протяжність включень оксидної плівки, параметри проплавления, макро- і мікроструктуру швів оцінювали за допомогою мікроскопів МБС-2 і МІМ-8. Фактографічні дослідження особливостей включень оксидної плівки у швах здійснювали на скануючому електронному мікроскопі SEM-515. Механічні властивості зварних з'єднань визначали на стандартних плоских зразках. При розрахунках показників використовували сучасні методи математичної обробки та статистичного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Встановлено, що застосування зварювання пульсуючою дугою разом з додатковим захистом нижньої частини стику аргоном забезпечує отримання якісних з'єднань навіть в умовах інтенсивного окислення зварюваних кромок при наявності зазору між ними.

- Науково обґрунтовано й експериментально підтверджено, що для підвищення ефективності катодного руйнування оксидної плівки, збільшення глибини занурювання дуги в розплавлений метал та інтенсифікації його перемішування в донній частині зварювальної ванни необхідно використовувати імпульсно-дугове зварювання алюмінієвих сплавів асиметричним прямокутним струмом з переважанням амплітуди імпульсів при прямій полярності (КIас=0,7) і тривалості імпульсів при оберненій полярності (Кtас=0,3). При цьому забезпечується скорочення протяжності оксидних включень у швах у 3 рази в порівнянні зі зварюванням симетричним синусоїдним струмом і відбувається подрібнення більшості дефектів до розмірів, допустимих для зварних конструкцій відповідального призначення.

- Показано, що використання асиметричного струму (КIас=0,5; Кtас=0,7) у поєднанні з обтисненням дуги забезпечує більш інтенсивне руйнування оксидної плівки при зварюванні та підвищення продуктивності процесу завдяки зростанню температури та ступеня концентрації стовпа дуги.

Практична значимість отриманих результатів. Розроблені технологічні рекомендації для імпульсно-дугового зварювання асиметричним прямокутним струмом поширеного сплаву АМг6 товщиною до 12 мм і нового високоміцного алюмінієвого сплаву 1420 товщиною до 6 мм. Впровадження їх у виробництво забезпечує більш високу якість з'єднань виробів відповідального призначення завдяки скороченню розмірів і кількості включень оксидної плівки, пор і включень вольфраму в швах, дозволяє зменшити трудомісткість виготовлення вузлів за рахунок скорочення кількості підварок дефектних ділянок і підвищити надійність експлуатації виробів.

Особистий внесок здобувача. Автором досліджені умови утворення та руйнування оксидних плівок в процесі аргонодугового зварювання алюмінієвих сплавів неплавким електродом, вивчено вплив основних технологічних факторів на процеси окислення та скорочення протяжності оксидних включень в швах в умовах інтенсивного окислення кромок при наявності початкової величини зазору між кромками (b=1,2 мм). Визначено вплив параметрів асиметричного прямокутного змінного струму на розміри та форму проплавлення, ступінь катодного очищення та особливості формування кристалічної структури швів, встановлені оптимальні режими імпульсно-дугового та плазмово-дугового зварювання асиметричним струмом для запобігання макровключень оксидної плівки в швах.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи повідомлялись на III і IV Всесоюзних конференціях по зварюванню кольорових металів (Тольятті, 1985; Маріуполь, 1990), на конференціях молодих вчених і спеціалістів ІЕЗ ім. Є.О.Патона в 1987 р. і в 1989 р., на семінарах в ІЕЗ.

Робота в цілому розглянута на семінарі технологічних відділів ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України в 2002 р.

Публікації. Результати дисертаційної роботи відображені в 19 публікаціях, в тому числі в 13 статтях у центральних журналах і збірниках наукових праць, в збірниках тез доповідей на науково-технічних конференціях (5), є 1 авторське свідоцтво на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація викладена на 125 сторінках, складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел (89 найменувань). Робота містить 44 рисунки, 14 таблиць, 3 додатки.

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і завдання роботи, вказані предмет та об'єкт дослідження, розкриті наукова новизна та практична значимість роботи.

В першому розділі дано огляд літератури з питань утворення та руйнування оксидної плівки при дуговому зварюванні алюмінієвих сплавів і зроблено критичний аналіз існуючих способів зменшення оксидних включень у швах.

У другому розділі викладені методики проведення експериментальних досліджень, обґрунтовано вибір технологічної проби на схильність до утворення включень оксидної плівки в металі шва, розглянуті методи виявлення цих дефектів у швах і оцінки їх впливу на механічні властивості зварних з'єднань.

В третьому розділі викладені результати досліджень впливу способів і основних технологічних факторів дугового зварювання неплавким електродом на протяжність включень оксидної плівки в швах сплаву АМг6 товщиною 6 мм в умовах інтенсивного окислення кромок при наявності початкової величини зазору в стику b=1,2 мм.

У четвертому розділі розглянуто результати дослідження процесу зварювання алюмінієвих сплавів пульсуючою дугою. Визначена залежність проплавляючої спроможності дуги та параметрів проплавлення від коефіцієнтів часової та амплітудної асиметрії різнополярного прямокутного струму. Встановлено оптимальні режими зварювання, які забезпечують отримання швів з мінімальною кількістю включень оксидної плівки. Визначена можливість практично повного уникнення макровключень оксидної плівки при плазмово-дуговому зварюванні змінним асиметричним прямокутним струмом з наскрізним проникненням дуги.

В п'ятому розділі проаналізовані залежності структури швів і механічних властивостей з'єднань від параметрів струму при зварюванні пульсуючою дугою. Встановлено, що запобігання включень оксидної плівки та формування дрібнокристалічної структури швів сприяють стабілізації показників механічних властивостей з'єднань і підвищенню їх рівня.

Основний зміст роботи

Висока хімічна активність алюмінію до взаємодії з киснем і місцеве концентроване нагрівання кромок при дуговому зварюванні алюмінієвих сплавів сприяють інтенсивному зростанню оксидної плівки на зварюваних поверхнях попереду зварювальної ванни. В результаті перед фронтом плавлення, з одного боку, відбувається інтенсивне окислення та ріст плівки, яка по товщині на порядок-два перевищує початкову, а з іншого боку, - руйнування оксидної плівки під впливом термічних, механічних і електродинамічних сил, які її розривають. Тому при зварюванні алюмінію та його сплавів необхідно створювати умови, які перешкоджатимуть інтенсивному зростанню оксидної плівки і сприятимуть ефективному її руйнуванню безпосередньо під впливом дуги. Аргонодугове зварювання алюмінієвих сплавів неплавким електродом здійснюють змінним симетричним синусоїдним струмом. Ламінарний потік захисного газу з сопла зварювального пальника захищає метал в зоні зварювання від взаємодії з киснем, а іонне бомбардування поверхонь зварюваних листів під час проходження струму при оберненій полярності забезпечує їх очищення від тугоплавких оксидних плівок у зоні катодних плям дуги. При цьому створюються сприятливі умови для формування якісних зварних з'єднань і досягається достатньо висока стійкість неплавкого вольфрамового електрода.

Проте, при виготовленні великогабаритних виробів в результаті неточності збирання деталей і внаслідок деформацій, обумовлених умовами нагрівання та фіксування кромок, в процесі зварювання між ними утворяться зазори. Внаслідок інжекції повітря до зварюваних кромок через зазор і затікання розплавленого металу в головну частину ванни, створюються умови для інтенсивного окислення кромок. У зв'язку з тим, що глибина занурювання дуги при звичайному аргонодуговому зварюванні неплавким електродом незначна, у нижній частині стику на оксидну плівку безпосереднього впливу дугового розряду немає. В результаті довжина включень оксидної плівки в швах збільшується при зростанні зазору між зварюваними кромками (рис. 1). Тому вплив різних технологічних факторів на скорочення протяжності включень оксидної плівки в швах оцінювали в умовах інтенсивного окислення кромок при наявності між ними зазору (b=1,2 мм).

Рис. 1. Вплив величини зазору в стику на відносну протяжність оксидних плівок в

швах при аргонодуговому зварюванні сплаву АМг6 товщиною 6 мм.

При таких умовах зварювання навіть механічна очистка поверхні всього стику безпосередньо перед зварюванням не дозволяє суттєво скоротити протяжність дефектів у швах. Застосування раціональних розмірів канавок формуючих підкладок дозволяє дещо зменшити протяжність оксидних включень в робочому перерізі шва за рахунок виведення певної їх кількості в проплав (рис. 2).

Рис. 2. Вплив ширини (b) та глибини (h) канавки формуючої підкладки на відносну протяжність оксидної плівки в швах сплаву АМг6 товщиною 6 мм.

Ефективним способом зменшення протяжності оксидних включень у швах є додатковий захист інертним газом нижньої частини стику в процесі зварювання або застосування флюсових паст. Проте, у багатьох випадках це вимагає значного підвищення вартості робіт або обмежене у зв'язку з необхідністю видалення залишків флюсу чи неможливістю доступу до зворотної частини стику.

Разом з вищезгаданими заходами найбільш значного скорочення протяжності оксидних включень в швах можна досягти при зварюванні пульсуючою дугою.

Пульсації дуги можуть створюватися в результаті асиметрії струму в періоди прямої та оберненої полярностей, у випадку низькочастотної його модуляції або періодичної зміни амплітуди імпульсів при одній із полярностей (рис. 3).

Рис. 3. Схема прямокутного асиметричного (а), модульованого (б) струму та струму з періодичною зміною амплітуди імпульсів при прямій полярності (в).

Всі ці способи імпульсно-дугового зварювання реалізовані за допомогою джерел живлення з індуктивними накопичувачами енергії І-126, І-160 та інверторного джерела живлення MW-450, яке забезпечує швидкоплинність протікання перехідних процесів і отримання ідеально прямокутної форми хвилі зварювального струму. Незалежне регулювання амплітудних значень (Iпр, Iоб) і тривалостей імпульсів (tпр, tоб) струму при кожній полярності дозволяє встановлювати значення коефіцієнтів амплітудної (КIас=Iпр/(Iпр+Iоб)) і часової (Кtас= tпр/(tпр+tоб)) асиметрії в діапазоні 0,3...0,7, забезпечуючи якісне формування валиків швів.

Модуляція зварювального струму характеризується періодичною зміною амплітудних значень струму при прямій та оберненій полярностях в періоди імпульсу (tі) та паузи (tп) при незмінному коефіцієнті асиметрії.

Періодичне збільшення амплітуди імпульсів струму при прямій полярності приводить до зміни коефіцієнта амплітудної асиметрії при незмінній амплітуді струму при оберненій полярності.

Дослідження проплавляючої спроможності дуги показали, що для збільшення ширини зони катодного очищення та глибини проплавлення швів необхідно скорочувати тривалість струму при прямій полярності та збільшувати тривалість імпульсів струму при оберненій полярності (рис. 4).

Рис. 4. Залежність параметрів швів та потужностей, які виділяються в дуговому проміжку, від коефіцієнта часової асиметрії струму при постійній частоті зміни полярностей f=62 Гц.

Зміна коефіцієнта амплітудної асиметрії також спричиняє зміну ширини шва (В), зони катодного очищення (А) та глибини проплавления (Н) внаслідок зміни потужності, яка виділяється під час проходження струму при оберненій полярності (Роб) та загальної (РS) потужності (рис. 5). Тому, використовуючи асиметрич-ний струм з коефіцієнтами амплітудної та часової асиметрії в межах 0,3...0,7 можна регулювати параметри зони проплавлення, глибину занурювання дуги в розплавлений метал та інтенсивність його перемішування, ефективність катодного очищення зварюваних кромок і теплове навантаження на електрод.

Рис. 5. Залежність параметрів швів та потужностей, які виділяються в дуговому проміжку, від коефіцієнта амплітудної асиметрії при середньому значенні струму 300 А і постійних тривалостях імпульсів при прямій та оберненій полярностях.

Дослідження швів, отриманих модульованим струмом та струмом зі змінною амплітудою імпульсів при прямій полярності, показали, що для покращення катодного руйнування оксидної плівки та збільшення глибини проплавлення і занурювання дуги в метал зварювальної ванни необхідно збільшувати тривалість імпульсів струму (при tі/tпі3) та частоту їх проходження.

Аналіз поздовжніх зламів швів, отриманих при зварюванні модульованим струмом, показав, що протяжність включень оксидної плівки в швах залежить від тривалості імпульсів і пауз та частоти модуляції. Це обумовлено відмінністю умов окислення та катодного руйнування оксидної плівки під час дії імпульсу струму та в період паузи. Під час паузи активність катодного очищення різко зменшується внаслідок зниження сили струму, а процес окислення розплавленого попереднім імпульсом металу посилюється. Наступний потужний імпульс струму при великій тривалості паузи не може забезпечити повного руйнування оксидної плівки (рис. 6).

Рис. 6. Схема катодного руйнування оксидної плівки при зварюванні модульованим струмом: 1 - окислена поверхня переплавленого металу шва; 2 - зона катодного очищення; 3 - поверхня розплавленого металу шва; 4 - окислена поверхня шва, яка розплавляється під час дії імпульсу; 5 - окислена поверхня стику (попереду зварювальної ванни), яка розплавляється під час дії імпульсу.

Тому протяжність оксидних включень у швах залежить як від особливостей механічного подрібнення їх внаслідок інтенсивних коливань розплавленого металу, що виникають при зварюванні модульованим струмом, так і від умов окислення та катодного очищення. В результаті зі збільшенням тривалості пауз, коли активізуються процеси окислення зварюваних кромок і розплавленого металу та зменшується ефективність катодного руйнування утвореної оксидної плівки, сумарна протяжність дефектів у швах збільшується. Хоча максимальна довжина (lmax) окремих включень не перевищує 10...12 мм, що свідчить про ефективний динамічний вплив пульсуючої дуги на процеси подрібнення дефектів.

Збільшення тривалості імпульсів сприяє скороченню сумарної протяжності дефектів у швах завдяки активізації процесів катодного руйнування оксидної плівки. В результаті використання модульованого струму з оптимальними параметрами модуляції (tп=60...150 мс; tіі(4...6) Ч tп) дозволяє зменшити сумарну протяжність оксидних включень в швах на 25...35% у порівнянні зі звичайним синусоїдним струмом (табл. 1).

Таблиця 1. Вплив параметрів модуляції різнополярного прямокутного струму на відносну протяжність включень оксидної плівки в швах сплаву АМг6 товщиною 6 мм

tі, мс tп, мс fм, Гц lо.п., мм/1 пог. м шва lmax, мм

350 550 900 550 60 60 150 300 2,4 1,6 1,0 1,2 126 82 92 194 10 8 7 11

Зварювання стаціонарною дугою змінним симетричним струмом промислової частоти (Iзв=300 А) 125 46

Процес зварювання з періодичною зміною амплітуди імпульсів струму при прямій полярності можна розглядати як окремий випадок зварювання модульованим струмом з тією лише різницею, що амплітуда струму при оберненій полярності залишається незмінною. Періодичне збільшення струму сприяє заглибленню дуги в кратер ванни внаслідок зростання тиску дуги на розплавлений метал. Проте, обрані для пауз однакові амплітуди струмів не забезпечують рівноваги процесів утворення і руйнування оксидної плівки під час дії потужних імпульсів струму при прямій полярності. При короткій (відносно тривалості паузи) тривалості імпульсу амплітуда струму при прямій полярності набагато перевищує амплітуду струму при оберненій полярності, а тому катодне очищення зварюваних кромок недостатнє для отримання якісних швів. Застосування зварювального струму з періодичною зміною амплітуди імпульсів при прямій полярності з оптимальними параметрами (tп=70...180 мс; tі=(4...6) Ч tп) дозволяє зменшити сумарну протяжність включень оксидної плівки в швах на 35...45% у порівнянні із синусоїдним струмом.

Форма імпульсів зварювального струму також впливає на процеси утворення та руйнування оксидної плівки в процесі зварювання. Достатнє катодне руйнування оксидів забезпечується тільки при певних значеннях струму (Iminоч) при оберненій полярності (рис. 7).

Тривалість наростання та спадання зварювального струму при оберненій полярності в сумі з тривалістю проходження струму при прямій полярності складуть час, протягом якого необхідний рівень катодного очищення не досягається (tок). При переході від синусоїдної форми струму до прямокутної тривалість наростання та спадання струму скорочується, в результаті чого створюються більш сприятливі умови для катодного руйнування оксидної плівки в процесі зварювання. Крім того, прямокутна форма струму забезпечує різку зміну тиску дуги при зміні полярностей у порівнянні із синусоїдною, що сприяє інтенсифікації конвективних потоків у зварювальній ванні.

Рис. 7. Зміна тривалості процесу катодного очищення в залежності від форми зварювального струму:

а - синусоїдна;

б - трапецевидна;

в - прямокутна.

Додатково збільшити амплітуду пульсацій тиску дуги дозволило використання асиметричного струму з переважанням амплітуди імпульсів при прямій полярності (КIас=0,7). Враховуючи, що тиск дуги пропорційний квадрату амплітудного значення струму і величина тиску при зварюванні струмом прямої полярності набагато більша, ніж при оберненій, при зварюванні асиметричним струмом зростає глибина занурювання дуги в розплавлений метал. В результаті виникають сприятливі умови для руйнування оксидних плівок у донній частині зварювальної ванни та винесення їх часток на поверхню під безпосередній вплив дуги. Збільшення при цьому тривалості імпульсів струму при оберненій полярності (Кtас=0,3) сприяє активізації процесів катодного руйнування оксидних плівок. Тому використання різнополярного асиметричного прямокутного зварювального струму з переважанням амплітуди струму при прямій полярності (КIас=0,7) і тривалості струму при оберненій полярності (Кtас=0,3) дозволяє скоротити в 3…4 рази протяжність включень оксидної плівки у порівнянні з симетричним синусоїдним струмом (табл. 2).

Таблиця 2. Вплив параметрів різнополярного прямокутного струму на відносну протяжність включень оксидної плівки в швах сплаву АМг6 товщиною 6 мм

Iпр, А Iоб, А КIас tпр, мс tоб, мс Кtас f, Гц lо.п., мм/1 пог. м шва lmax, мм

290 290 0,5 10,4 10,4 0,5 48 102 12

440 220 0,7 6,1 12,8 0,3 53 38 5

4,6 10,4 0,3 67 31 5

Крім того, пульсації зварювального струму приводять до періодичної зміни теплового балансу в зварювальній ванні та порушенню безперервності процесу кристалізації, що сприяє формуванню дрібнокристалічної структури шва без центрального кристаліту (рис. 8).

Рис. 8. Макроструктура зварних з'єднань сплаву АМг6 товщиною 6 мм в поперечному (а, в) та поздовжньому (б, г) перерізах, отриманих симетричним синусоїдним (а, б) й асиметричним прямокутним (в, г) струмом.

Тому для підвищення якості зварних з'єднань сплаву АМг6 за рахунок скорочення кількості недопустимих дефектів у швах, подрібнення структури та забезпечення стабільно високих механічних властивостей (sВ=322…327МПа; аН=22...24 Дж/см2) рекомендується застосовувати імпульсно-дугове зварювання різнополярним асиметричним прямокутним струмом з переважанням амплітуди імпульсів при прямій полярності (КIас=0,7) і тривалості імпульсів при оберненій полярності (Кtас=0,3) та забезпечувати при цьому надійний захист як лицьової, так і нижньої частини стику в зоні зварювання аргоном з точкою роси не вище 214 К.

При зварюванні нового високоміцного сплаву 1420 крім включень оксидної плівки в швах спостерігається велика пористість у зоні сплавлення шва з основним металом. Для зменшення кількості обох видів дефектів у швах одночасно необхідно використовувати різнополярний асиметричний струм (КIас=0,7; Кtас=0,3), модульований з низькою частотою (fМ=4...6 Гц). Це дозволяє скоротити протяжність включень оксидної плівки в швах у 3 рази, а об'єм пор у 9 разів, у порівнянні зі звичайним аргонодуговим зварюванням симетричним синусоїдним струмом.

Використання різнополярного асиметричного струму в поєднанні з обтисненням дуги сприяє більш інтенсивному руйнуванню оксидної плівки завдяки підвищенню температури дугового розряду. Висококонцентрований потік плазми дозволяє виконувати зварювання без підкладки з наскрізним проникненням дуги на всю товщину зварюваного металу, забезпечуючи значне скорочення кількості дефектів у швах (табл. 3).

В результаті досліджень встановлені параметри асиметрії струму (КIас=0,4...0,5; Кtас=0,7...0,8) при яких забезпечується ефективне руйнування оксидної плівки, зменшується теплове навантаження на електродний вузол плазмотрона та досягається якісне формування швів сплаву АМг6 товщиною 6...12 мм.

Таблиця 3. Якість швів сплаву АМг6 товщиною 6…12 мм, отриманих різними способами дугового зварювання неплавким електродом

Спосіб зварювання Показник якості швів

lО.П., мм/ 1 пог. м шва lmax, мм

Аргонодугове змінним синусоїдним струмом f=50Гц 115…135 42…50

Імпульсно-дугове модульованим прямокутним струмом tп=50…150 мс; tі=(6…10)Чtп 82…95 7…8

Імпульсно-дугове прямокутним струмом зі змінною амплітудою струму при прямій полярності tп=50…150 мс; tі=(6…10)Чtп 69…85 6…8

Імпульсно-дугове асиметричним прямокутним струмом КIас=0,7; Кtас=0,3; f=50…100 Гц 31…38 5…6

Плазмово-дугове асиметричним прямокутним струмом tпр=13 мс; tоб=4 мс 12…17 3…5

Плазмово-дугове прямокутним струмом з наскрізним проникненням дуги tпр=13 мс; tоб=4 мс 1…2 1

Наявність включень оксидної плівки в швах приводить до зниження механічних властивостей зварних з'єднань, оскільки крім зменшення робочого перерізу швів оксидні включення при навантаженні виступають концентраторами напружень.

Застосування розроблених технологічних засобів, які сприяють скороченню протяжності дефектів у швах, забезпечує отримання високих і стабільних механічних властивостей зварних з'єднань (sв=322...327 МПа; ан=22...24 Дж/см2; a=80...100°) та зменшує кількість ремонтних підварок на виробах із алюмінієвих сплавів.

Загальні висновки

1. Підвищена схильність алюмінієвих сплавів до окислення й утворення включень оксидної плівки в швах при дуговому зварюванні неплавким електродом утруднює отримання якісних зварних з'єднань, приводить до зниження їх механічних властивостей, герметичності та експлуатаційної надійності. Вирішальними факторами, які сприяють утворенню включень оксидної плівки в швах, є надмірне окислення металу в результаті інжекції повітря до зварюваних кромок при наявності зазору між ними та недостатнє катодне руйнування оксидної плівки при використанні звичайного аргонодугового зварювання змінним синусоїдним струмом.

2. Використання асиметричного прямокутного струму для імпульсно-дугового зварювання неплавким електродом алюмінієвих сплавів дозволяє ефективно впливати на процеси утворення та катодного руйнування оксидної плівки на зварюваних кромках, коливання зварювальної ванни, глибину занурювання дуги в розплавлений метал, інтенсивність його перемішування з метою механічного подрібнення незруйнованих оксидних плівок у донній частині зварювальної ванни та теплове навантаження на вольфрамовий електрод.

3. Встановлено, що застосування імпульсно-дугового зварювання асиметричним прямокутним струмом з переважанням амплітуди імпульсів при прямій полярності (КIас=0,7) і тривалості імпульсів при оберненій полярності (Кtас=0,3) може в 3 рази скоротити протяжність включень оксидної плівки в швах при реальних умовах зварювання, коли величина зазорів між кромками змінюється в достатньо широкому діапазоні від 0 до 1,2 мм. При цьому максимальна довжина незруйнованих дефектів, які залишаються у швах, складає 5...6 мм, а основна їх кількість знаходиться в межах норм, допустимих для зварних конструкцій відповідального призначення.

4. Порівняльний кількісний аналіз впливу основних технологічних факторів на протяжність включень оксидної плівки в швах в умовах інтенсивного окислення зварюваних кромок при наявності початкових зазорів у стику від 0,2 до 1,2 мм показав, що ефективним методом запобігання утворення таких дефектів у швах є надійний захист зони зварювання аргоном з точкою роси ТР Ј 214 К як з лицьового, так і з протилежного боку стику.

5. Використання модульованого струму з періодичною зміною амплітуди імпульсів при прямій та оберненій полярностях для імпульсно-дугового зварювання алюмінієвих сплавів забезпечує подрібнення оксидної плівки та винесення її часток на поверхню ванни за рахунок коливань рідкого металу, спричинених різкою зміною тиску дуги. При цьому крім скорочення кількості та протяжності дефектів у швах періодичні зміни теплової потужності дуги впливають на темп кристалізації металу шва, викликають підплавлення кристалітів і утворення нових активних центрів кристалізації за рахунок оплавлення осей другого порядку, що сприяє формуванню упорядкованої дрібнокристалічної шаруватої структури швів без центрального кристаліту.

6. Більш повному руйнуванню оксидної плівки по всій поверхні зварюваних кромок і практично повному усуненню зі швів макровключень оксидної плівки сприяє підвищення температури та ступеня концентрації теплового потоку при стисненні стовпа дуги у випадку плазмово-дугового зварювання змінним асиметричним струмом без підкладки при наскрізному проникненні дуги на всю товщину зварюваного металу.

7. Розроблені технологічні рекомендації по імпульсно-дуговому зварюванню асиметричним прямокутним струмом дозволяють при виготовленні виробів відповідального призначення зі сплавів 1420 товщиною до 6 мм і АМг6 товщиною до 12 мм підвищити якість зварних з'єднань завдяки скороченню розмірів і кількості включень оксидної плівки, пор і включень вольфраму в швах, зменшити трудомісткість виготовлення вузлів за рахунок скорочення кількості підварок дефектних ділянок, підвищити надійність експлуатації виробів.

Основний зміст роботи відображено в публікаціях:

1. Ищенко А.Я., Покляцкий А.Г., Яворская М.Р. Предотвращение включений оксидной плены в швах при аргоно-дуговой сварке алюминиевых сплавов // Автомат. сварка. - 1989.-№ 6.-с.38-41.

2. Влияние асимметрии разнополярного тока прямоугольной формы на параметры швов при аргоно-дуговой сварке сплава АМг6 / А.Я.Ищенко, А.Г.Покляцкий, М.Р.Яворская В.А.Легостаев, Е.П.Стемковский // Автомат. сварка. - 1990.- № 1.- с.26-28.

3. Ищенко А.Я., Покляцкий А.Г., Яворская М.Р. Влияние параметров импульсов асимметричного тока на проплавляющую способность дуги при сварке алюминиевых сплавов // Автомат. сварка. -1990. - № 7.-с.13-16.

4. Влияние параметров низкочастотной модуляции разнополярного тока прямоугольной формы на структуру шва при сварке алюминиевых сплавов / А.Я.Ищенко, А.Г.Покляцкий, А.В.Лозовская М.Р.Яворская, Е.М.Славова, В.А.Андреев, Б.П.Ржанов // Автомат. сварка. - 1990.-№ 9.-с.23-27.

5. Предотвращение образования включений оксидной плены в швах при сварке алюминиевых сплавов пульсирующей дугой / А.Г.Покляцкий, А.Я.Ищенко, А.С.Бессонов, Б.П.Ржанов // Автомат. сварка. -1991.-№ 7.-с.43-47.

6. Сварка алюминиевых сплавов плазменной дугой на переменном токе / Е.Ю.Брик, И.В.Довбищенко, А.П.Запарованый, А.Я.Ищенко, А.Г.Покляцкий. // Автомат. сварка. - 1992.- № 4.- с.52-53.

7. Современные способы дуговой сварки алюминиевых сплавов / А.Я.Ищенко, И.В.Довбищенко, В.П.Будник, В.С.Машин, А.Г.Покляцкий // Автомат. сварка. - 1994.- № 5.-с.35-37.

8. Покляцкий А.Г. Особенности образования макровключений оксидной плены в металле швов алюминиевых сплавов // Автомат. сварка. – 2001. - № 3. – с. 38-40.

9. Покляцкий А.Г., Гринюк А.А. Устойчивость процесса плазменной сварки алюминиевых сплавов проникающей дугой // Автомат. сварка. – 1999. - № 4. – с. 42-46.

10. Стойкость вольфрамовых электродов при аргоно-дуговой сварке алюминиевых сплавов переменным током / А.Я.Ищенко, А.Г.Покляцкий, Р.В.Минакова С.О.Антонов, А.Ф.Гриценко, Б.П.Ржанов // Сварка цветных металлов. - Киев: Наук.думка, 1989.- с.212.

11. Лабур Т.М., Ищенко А.Я., Покляцкий А.Г. Влияние включений оксидной плены на характеристики сопротивления разрушению сварных соединений сплава АМг6НПП при низких температурах // Автомат. сварка. - 1990.- № 12.-с.59-60.

12. Повышение плотности и прочности металла шва в месте подварки ответственных изделий из сплава АМг6НПП / М.Р.Яворская Т.М.Лабур, А.Г.Покляцкий, Б.П.Ржанов // Автомат. сварка. -1993.- № 3.-с.25-27.

13. Исследование возможностей использования УЗК для обнаружения оксидных плен в сварных соединениях из алюминиевых сплавов / В.П.Радько, А.В.Лозовская, М.Р.Яворская, В.В.Жук, Ю.П.Семененко, А.Г.Покляцкий. // Свароч. пр-во. -1987.- № 2.- с.26-28.

14. А.с. № 1486291. Способ дуговой сварки переменным током неплавящимся электродом / В.А.Легостаев, И.В.Пентегов, Е.П.Стемковский, Д.А.Шейковский, А.Я.Ищенко, Н.Г.Третяк, А.Г.Покляцкий, Р.В.Илюшенко.

15. Покляцкий А.Г., Яворская М.Р., Ржанов Б.П. Предотвращение образования включений оксидной плены в швах при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов // III Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов: Тезисы докладов. Тольятти, ТПИ, 1986. – с. 3-4.

16. Стойкость вольфрамовых электродов при аргонодуговой сварке алюминиевых сплавов переменным током / А.Я. Ищенко, А.Г. Покляцкий, Р.В. Минакова, С.О. Антонов, А.Ф. Гриценко // III Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов: Тезисы докладов. Тольятти, ТПИ, 1986. – с. 5.

17. Сопротивление разрушению при низких температурах алюминиевых сплавов сварных соединений, содержащих включения оксидной плены / А.Я. Ищенко, Т.М. Лабур, А.Г. Покляцкий, С.А. Воронин, В.И. Швачко // Стали и сплавы криогенной техники, Сб. тезисов докл. III Всесоюзного симпозиума. Отв. ред. Ющенко К.А. Киев, ИЭС им. Е.О. Патона 1986. – с. 57.

18. Покляцкий А.Г. Влияние параметров разнополярного тока с прямоугольной формой волны и низкочастотной модуляцией мощности на проплавляющую способность дуги и структуру металла шва высокопрочного алюминиевого сплава АМг6НПП // I Международная конференция молодых ученых в области сварки и смежных технологий: Тез. докл., 16-20 мая 1989 г. (Редкол.: Р.В. Илюшенко (отв.ред.) и др). – Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1989. – с. 58.

19. Предотвращение образования включений оксидной плены в швах при сварке алюминиевых сплавов пульсирующей дугой / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, А.С. Бессонов, Б.П. Ржанов // IV Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов, Мариуполь, 4-7 сент. 1990 г.: Тез. докл. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР, 1990. – с. 53-54.

АНОТАЦІЯ

Покляцький А.Г. Особливості утворення та методи запобігання оксидних включень у швах при зварюванні алюмінієвих сплавів пульсуючою дугою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - "Зварювання та споріднені технології", – Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертацію присвячено пошуку та розробці технологічних заходів, що сприяють скороченню протяжності включень оксидної плівки в швах та підвищенню якості зварних з'єднань алюмінієвих сплавів при зварюванні неплавким електродом в аргоні. В ній теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що використання асиметричного прямокутного струму з переважанням амплітуди струму при прямій полярності та тривалості струму при оберненій полярності сприяє збільшенню глибини занурювання дуги в розплавлений метал, активізації процесів катодного руйнування оксидної плівки, інтенсифікації конвективних потоків у донній частині зварювальної ванни та механічному подрібненню оксидних включень.

Розроблено способи імпульсно-дугового та плазмово-дугового зварювання асиметричним прямокутним струмом, які суттєво підвищують якість швів. Практичне застосування розроблених технологічних засобів запобігання включень оксидної плівки дозволило зменшити протяжність дефектних ділянок у швах, забезпечити стабільні високі механічні властивості зварних з'єднань і скоротити витрати на ремонт при виготовленні макетних зразків виробів відповідального призначення зі сплаву АМг6.

Ключові слова: алюмінієві сплави, аргонодугове зварювання, неплавкий електрод, включення оксидної плівки, імпульсно-дугове зварювання, плазмово-дугове зварювання, асиметричний прямокутний струм.

ABSTRACT

Poklyatsky A.G. Peculiarities of formation and methods of prevention of oxide inclusions in welds in welding of aluminium alloys by pulsate arc. – Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Sciences (Eng.) in speciality 05.03.06 - Welding and Related Technologies. - E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The thesis is devoted to find and to elaborate of the technological methods for reduction of the extent of oxide film inclusions in welds and to improve the quality of welded joints of aluminium alloys, produced by TIG welding in argon. It provides theoretical substantiation and experimental confirmation of the fact that use of asymmetrical square-wave current with prevailing current amplitude at straight polarity and current duration at reverse polarity promotes a deeper immersion of the arc into the molten metal, activation of the processes of cathode breaking up of the oxide film, intensification of the convective flows in the bottom part of the weld pool and mechanical breaking up of oxide inclusions.

The processes of pulsed-arc and plasma-arc welding with asymmetrical square-wave current have been developed, leading to an essential increase of weld quality. Practical application of the developed technological processes of prevention of oxide film inclusions allows a significant reduction of the length of defective sections in welds, provision of stable high mechanical properties of welded joints and reducing the repair cost in making of critical products of alloy AMg6.

Keywords: aluminium alloys, argon-arc welding, non-consumable electrode; oxide film inclusions, pulsed-arc welding, plasma-arc welding, asymmetrical square-wave current.

АННОТАЦИЯ

Покляцкий А.Г. Особенности образования и методы предотвращения оксидных включений в швах при сварке алюминиевых сплавов пульсирующей дугой. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 - "Сварка и родственные технологии", – Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2002 г.

Диссертация посвящена поиску и разработке технологических приемов, способствующих сокращению протяженности включений оксидной плены в швах и повышению качества сварных соединений алюминиевых сплавов при сварке неплавящимся электродом в аргоне. В ней на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований установлено, что решающими факторами, способствующими образованию включений оксидной плены в швах, являются чрезмерное окисление металла в результате инжекции воздуха к свариваемым кромкам при наличии зазора между ними и недостаточное катодное разрушение оксидной плены при использовании стационарной дуги.

Впервые проведен сравнительный анализ влияния основных технологических факторов при различных способах дуговой сварки неплавящимся электродом на наличие и протяженность оксидных включений в швах сплава АМг6 толщиной 6 мм в условиях интенсивного окисления свариваемых кромок при величине зазора между ними b=1,2 мм.

Поскольку при обычной аргонодуговой сварке синусоидальным переменным током глубина погружения дуги в расплавленный металл и перемешивание его незначительны, то в донной части сварочной ванны полного катодного разрушения оксидной плены не происходит и неразрушенные ее части остаются в швах в виде несплавлений. Поэтому наиболее эффективными способами сокращения протяженности таких дефектов в