6. Сварка цветных металлов и сплавов.

6.1. Сварка алюминия и его сплавов

Основная трудность при сварке алюминия и его сплавов (АМг1...АМг6) - наличие на поверхности тугоплавкой оксидной пленки (2050С), препятствующей сплавлению основного и присадочного металлов. Удаление оксидной пленки производят тремя способами: механическим, химическим (травление в растворе KOH, применение при сварке флюсов, содержащих фтористые и хлористые соли) и электрическим (сварка переменным током или катодное распыление при сварке на обратной полярности). Следует иметь в виду, что при нагреве до 400-500С прочность алюминия резко падает и изделие может разрушиться даже под тяжестью собственного веса.

Аргонодуговую сварку Al и его сплавов (неплавящимся электродом) выполняют на специальных установках типа УДГУ-301, УДГ-501, ИСВУ-315, АДСВ-6. Сварка выполняется переменным током или постоянным только обратной полярности с обязятельным применением осциллятора. Необходимо поддерживать минимальную длину дуги (до 2 мм).

Применяют полу- и автоматическую сварку в среде аргона плавящимся электродом того же состава, что и свариваемый металл.

При толщине деталей более 10 мм применяют полу- и автоматическую сварку по флюсу, тонкого слоя которого достаточно, чтобы защитить сварочную ванну и удалить оксидную пленку. Применяемый флюс АН-А1 электропроводен и шунтирует дугу при ее погружении в шлак.

Применяют газовую сварку.

При всех способах сварки требуется тщательная очистка кромок перед сваркой.

Сварку следует выполнять не позже, чем через 2 часа после механической очистки и 8 часов после химической.

После сварки требуется тщательное удаление (смывание горячей водой) остатков флюса с поверхности изделия во избежание коррозии металла.

Силумины перед сваркой подогревают до 200-250С, а после сварки выполняют отжиг при температуре 300-350С с последующим медленным охлаждением. Сварные швы проковывают легкими ударами в холодном состоянии.

Дуралюмины (Al-Zn-Mg-Cu: Д16, Д20, В95) при сварке сильно разупрочняются, однако при соответствующей термообработке можно довести прочность шва до 80% просности основного металла. Применяют длительный гомогенизирующий отжиг при 460С (до 24 часов) с последующей проковкой, искусственное старение.

6.1. Сварка титана и его сплавов

Основная трудность при сварке титановых сплавов (ВТ...) - большое сродство к кислороду, азоту и водороду при высокой температуре. Требуется защита не только сварочной ванны, но всей зоны, нагретой выше 500С. Для этого делаются удлиненные насадки с отверстиями и защитные козырьки, которые защитят зону сварки. Обратную сторону шва защитит медная или стальная подкладка, которая плотно прижимается к шву.

Подготовка кромок - травление в растворе соляной и плавиковой кислот Допускается механическая зачистка с последующим обезжириванием. Каким будет качество сварных соединений — это зависит напрямую от проведенной подготовки кромок деталей и самой титановой проволоки. Оксидная пленка, образующаяся после горячей обработки, должна быть удалена механическим путем. Титан после этого должен быть протравлен в течении 5-10 мин в смеси солей с кислотами (50 г фторида натрия, 350 мл соляной кислоты и 650 мл воды) при температуре 60°С.

Выполняют сварку в защитных газах неплавящимся вольфрамовым и плавящимся (из титановой проволоки) электродом.

Сварку ведут без колебательных движений горелки, на короткой дуге углом вперед. Угол между электродом и присадочным материалом поддерживают в пределах 90°, подачу присадочной проволоки осуществляют непрерывно.

При ручной дуговой сварке титана вольфрамовым электродом диаметром 1,5—2 мм и присадочной проволокой диаметром 2 мм сварочный ток составляет 90— 100 А для металла толщиной 2 мм. Если толщина металла доходит до 4 мм — величина сварочного тока будет равняться 120—140 А.

После окончания сварки или обрыва дуги аргон должен подаваться до тех пор пока металл не остынет примерно до 400°С.

Используют дополнительную защиту флюсом. Применяют фторидно-хлоридные флюсы (например, АН-Т). Высота слоя флюса - не менее вылета электрода. Шлаковую корку удаляют после охлаждения до 300C.

Предложен флюс для сварки титана и его сплавов в среде защитных газов, содержащий хлористый марганец и хлористый алюминий, дополнительно содержит хлористый магний и хлористый кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлористый марганец - 22-28; хлористый алюминий - 32-38; хлористый магний - 12-20; хлористый кальций - 24-33. Флюс применяют в виде раствора галогенидов в спирте без осадка. Флюсы получают растворением 1 части сухого флюса в 4 частях спирта.

Сварка алюминиевого сплава с титаном ОТ4. Обычно применяют аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом, перед которой кромки титана очищают от α-слоя и загрязнений и алитируют в чистом алюминии при температуре алюминия 800 ... 830 °С в течение 1 ... 3 мин. В этом случае период образования соединения между алюминием и титаном меньше, чем период ретардации, и хрупкие интерметаллиды по линии соединения не успевают образоваться.

Кромки предварительно разделывают согласно рис. 13.12, б. До сварки на алитированные кромки наплавляют слой чистого алюминия (5 ... 8 мм) с использованием проволоки марки AB00 диаметром 5 ... 8 мм. Соединение сваривают обычным методом, как алюминиевый сплав. Предел прочности сварного соединения сплавов ОТ4 + АМг6 зависит от слоя алюминия и составляет 110 ... 270 МПа, угол изгиба 17 ... 30°.

Сварка титана с медью и ее сплавами. Сварка затруднена большим различием свойств и образованием хрупких интерметаллидов (см. табл. 2). Наиболее успешна сварка плавлением при использовании промежуточных вставок из специально выплавленных сплавов титана, легированных молибденом или ниобием, которые понижают температуру превращения α-β и обеспечивают получение однородного титанового сплава со стабильной структурой, не очень отличающейся от структуры меди. Можно использовать комбинированные вставки из сплавов Ti + 30 % Nb и сплавов ВТ15).

Эти сплавы при сварке с медью МЗ обеспечивают предел прочности соединения 220 ... 225 МПа и угол изгиба 140 .... 180°, а при сварке с бронзой 260 ... 280 МПа и угол изгиба 100 ... 160°. В прослойке по линии соединения твердость достигает 4700 ... 4800 HV при твердости бронзы БрХ0,8 1200 HV.

Сварка стали с титаном. Одной из основных задач при сварке титана со сталями является выбор таких сварочных материалов, методов и режимов сварки, при которых предотвращалось бы или резко подавлялось образование хрупких интерметаллических фаз FeTi и Fe₂Ti.

Непосредственная сварка титана со сталью не дает положительных результатов. Практическое применение находит сварка в аргоне вольфрамовым электродом и сварка через промежуточные вставки. Хорошие результаты получены при использовании комбинированной вставки, состоящей из технического тантала (а, = 700 МПа) и термообрабатываемой бронзы БрБ2 (см. табл. 1).

Бронза сваривается с углеродистой или аустенитной сталью аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом, а тантал с титаном - в камерах с контролируемой атмосферой. Предел прочности соединения по бронзе 490 МПа, при закалке бронзы 605 МПа (закалка до сварки).

Комбинированные вставки из бронзы БрБ2 и ниобия используют для аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом в камере с контролируемой атмосферой титана ОТ4-1 толщиной 0,8 и 2 мм. Прочность соединения при толщине 0,8 мм σв = 530 ... 660 МПа, угол изгиба 72 ... 180° при толщине 2 мм σв = 400 ... 450 МПа, угол изгиба 41 ... 61°.

Сборка под сварку

Форма кромок и способ их получения

Для получения разделки возможно использовать практически только механическую обработку режущим инструментом (фрезерование, строжка). Вместе с тем при выполнении сварных соединений без разделки (стыковые с гарантированным зазором, часть угловых и тавровых соединений, нахлесточные и торцевые соединения) возможно применение других способов подготовки кромок.

Гильотинная резка. Допускается после резки кромки не обрабатывать. Однако на поверхности кромок после гильотины имеются микронадрывы, и это необходимо учитывать, если мала доля участия основного металла. Кроме этого, кромки имеют скос до 5^о, поэтому их надо правильно состыковать.

Термическая резка. При содержании углерода более 0,25% (и Сэкв>0,45% необходимо снять поверхностный слой толщиной 3-4 мм (т.к. выжигаются легирующие элементы на кромках и происходит необратимый рост зерна), в противном случае достаточно зачистить поверхность от шлака и грата.

Гидроабразивная резка. Может применяться без ограничений.

Далее заготовки должны быть очищены от влаги, масла, ржавчины, загрязнений и т..д. до металлического блеска. Зачистка проводится на расстояние 15-20 мм для ручной сварки, 30-40 мм для механизированной дуговой и не менее 100 мм для электрошлаковой. Зачистка производится механическим способом, металлическими щетками. Не рекомендуется (а для алюминия, титана, магния и других металлов запрещается) применение абразивного инструмента.

Обезжиривание проводится ветошью, смоченной в бензине, органических растворителях, уайт-спирите.

При сварке алюминия, титана, магния применяется химическая обработка (травление, полирование).

Далее производится технический контроль кромок.

Сборка под сварку.

Сборкой называется установка деталей в такое положение, чтобы после сварки они заняли положение, предписанное чертежом (рис. ).

Сборка традиционно может быть выполнена тремя основными способами: без каких-либо приспособлений, с использованием универсальных сборочных приспособлений (например, монтажные столы, стенды, зажимы и т.п.) и с применением специализированных приспособлений в составе установки для сварки, разработанной для изготовления конкретного изделия (группы типовых изделий).

Так, при сборке стыков труб под сварку следует пользоваться центровочными приспособлениями, предпочтительно инвентарными, непривариваемыми к трубам.

Часто применяют дополнительную фиксацию элементов изделия либо с помощью привариваемых скоб, уголков и т.п., либо устанавливая прихватки. Иногда используют и то, и другое вместе.

Так, по правилам Госгортехнадзора (РД 153-34.1-003-001) при сборке стыков труб из хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей с помощью уголков приварка этих элементов к трубам должна производиться электродами типа Э42А или Э50А с предварительным подогревом места приварки Уголки могут быть удалены (механическим путем или газовой резкой) после наложения не менее трех первых слоев стыкового шва. Места приварки этих деталей к трубам должны быть зачищены и тщательно осмотрены для выявления поверхностных трещин. В случае обнаружения дефекта это место должно быть выбрано с помощью абразивного инструмента. Если после выборки дефекта толщина трубы будет меньше допустимой расчетной, производится наплавка .Уголки должны быть изготовлены из стали марок 20, Ст2 или Ст3.

Временные привариваемые технологические крепления, применяющиеся при сборке деталей или узлов (монтажных блоков), должны устанавливаться и привариваться в соответствии с требованиями проекта производства монтажных и ремонтных работ (ППР) или другой производственной технологической документации (ПТД). В случае отсутствия таких указаний установка временных технологических креплений должна производиться с соблюдением следующих требований:

-временные технологические крепления должны быть изготовлены из стали того же структурного класса, что и собираемые детали. При этом желательно, чтобы уровень легирования стали временных технологических креплений был ниже уровня легирования стали собираемой детали. При сборке детали из стали перлитного класса с деталью из стали аустенитного класса временные технологические крепления следует изготавливать из углеродистой стали;

- приварка временных технологических креплений к собираемым деталям должна производиться ручной дуговой или ручной аргонодуговой сваркой;

-сварочный материал должен выбираться по менее легированному из свариваемых элементов;

- подогрев свариваемых элементов должен осуществляться в соответствии с требованиями подраздела 2.3, при этом приварку креплений из углеродистых сталей к деталям из углеродистой и кремнемарганцовистой стали допускается выполнять без подогрева независимо от толщины свариваемых деталей;

- нельзя приваривать временные технологические крепления к сварным швам и разделкам под сварные швы;

- после выполнения сварного соединения (полностью или частично) временные технологические крепления должны быть удалены механическим путем или кислородной, плазменно-дуговой либо воздушно-дуговой резкой без углубления в основной металл с последующей обработкой этого места абразивным инструментом.

Прихватки – швы малого калибра. Для установки прихваток можно использовать любой способ сварки, если иное не оговорено конкретными РД и инструкциями. Существуют правила установки прихваток. Эти правила регламентируют количество, размер прихваток (длину и сечение), места их установки и действия при достижении дугой прихватки при выполнении основного шва.

Так, по правилам Госгортехнадзора (РД 153-34.1-003-001) собранные стыки труб и других элементов необходимо прихватывать в нескольких местах. Прихватки на месте пересечения швов не допускаются.

Прихваточные швы рекомендуется выполнять тем же способом сварки, что и корневой. Если корневой слой шва накладывается автоматическим или механизированным способом, прихватки следует выполнять ручным дуговым или ручным аргонодуговым способом. При прихватке должен применяться тот же присадочный материал, который будет использоваться для сварки корневого слоя. Прихватку должен производить сварщик, допущенный к сварке стыков труб соответствующей марки стали, по возможности тот, который будет сваривать данный стык.

Прихватки необходимо выполнять с полным проваром и по возможности переваривать при наложении основного шва.

К качеству прихваток предъявляются такие же требования, как и к сварному шву. Прихватки, имеющие недопустимые дефекты, обнаруженные при визуальном контроле, следует удалять механическим способом.

Прихваточные швы должны быть равномерно расположены по периметру стыка. Не рекомендуется накладывать прихватки на потолочный участок стыка.

В стыках, собираемых без подкладных колец, число прихваток и их протяженность зависят от диаметра труб и должны соответствовать следующим нормам:

#G0Диаметр труб, мм	До 50	Свыше 50 до 100	Свыше 100 до 426	Свыше 426
Число прихваток по периметру	1-2	1-3	3-4	Через 300-400 мм
Протяженность одной прихватки, мм	5-20	20-30	30-40	40-60

Высота прихваток должна быть равна:

- при их выполнении ручной дуговой сваркой на стыках труб с толщиной стенки =3 мм и менее - толщине стенки трубы; с толщиной стенки более 3 до 10 мм - (0,6-0,7) , но не менее 3 мм; с толщиной стенки более 10 мм - 5-6 мм;

- при их выполнении ручной аргонодуговой сваркой без присадочной проволоки на стыках труб с разделкой Тр-1 ( табл.2) - толщине стенки трубы; на стыках труб с разделками Тр-2, Тр-6, Тр-7 - величине ±0,5 мм ( - размер притупления). При выполнении прихваток с присадочной проволокой высота прихватки может быть увеличена на 0,5-1 мм.

Подогрев стыков при прихватке и сварке

Необходимость и температура подогрева стыковых соединений перед прихваткой и сваркой дуговыми способами при положительной температуре окружающего воздуха определяется исходя из материала, формы и толщины стенки конструкции и регламентируется соответствующими РД и другими документами.

Подогревать стык можно индукторами (током промышленной или средней частоты), радиационными нагревателями сопротивления, газовым пламенем, обеспечивая нагрев стыка по всей длине. При толщине стенки более 30 мм ширина зоны подогрева должна быть не менее 150 мм (по 70-75 мм с каждой стороны), при толщине стенки до 30 мм - не менее 100 мм. Ширина зоны подогрева угловых и нахлесточных соединений - 50-75 мм в каждую сторону от будущего шва.

Стыки труб из сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф при толщине стенки более 45 мм следует нагревать индуктором. Подогрев этих стыков должен быть организован так, чтобы сразу после окончания сварки можно было произвести их термообработку.

Стыки толщиной стенки 25 мм и менее разрешается нагревать газовым пламенем. Стыки с толщиной стенки более 25 мм можно нагревать газопламенными сварочными горелками или резаками лишь в исключительных случаях, если нет возможности установить индуктор, радиационный нагреватель или кольцевую горелку.

При приварке подкладного кольца конец трубы можно подогревать газовым пламенем независимо от толщины стенки трубы.

Температуру подогрева можно контролировать с помощью термопар (ТП), цифровых контактных термометров (ТК-3М, ТК-5 и др.), пирометров, термокарандашей, термокрасок. Контроль температуры предварительного и сопутствующего подогрева стыков трубопроводов из низколегированных сталей диаметром свыше 600 мм при толщине стенки более 25 мм необходимо производить в двух диаметрально противоположных точках по периметру стыка, при этом на вертикальных стыках замер производится в нижней и верхней точках стыка.