книги / Сварка магниевых сплавов

Таблица 8

Удельная прочность			и жесткость свариваемых сплавов
						Удельн[ые характершстики
						при	при по­	при
		Вид		е«				про­
Сплав				2•*	e i	растя­	перечном	доль­
		полуфабри­			2	жении	изгибе	ном
		ката	5
				*		_£%		изгибе
			tv>					Y1T
				я	0	Y	г У
			0	О				У
			>
МА1		Лист	1,76	19	4100	10,8	4,0	36,3
МА8		»	1,78	25	4100	14,0	4,8	36,0
МА2		Пруток	1,78	27	4300	15,1	5,0	36,3
МА2-1		Лист	1,79	26	4300	14,6	4,9	36,6
ВМ65-1		Пруток	1,80	32	4300	17,8	5,6	36,4
Д16Т		Лист	2,78	43	7200	15,5	4,4	30,5
АМгб		JB	2,65	32	7000	12,1	3,7	31,5
АМгЗ		ш	2,67	20	7200	7,5	2,7	31,7
ВТ6-С	!	■	4,43	95 |;	11 зоо	21,4	4.7	j 24,0
						1
				30	20 000			18,0
Сталь 10		Лист	7,85			3,8	1,2
Сталь ЗОХГСА		п	7,85	55	20 000	7,0	1,8	18,0
Сталь ЗОХГСА		Пруток	7,85	110	20 000	14,0	2,9	18,0

Сплавы MAI, МА2, МА2-1, МА8, МА9 термообработкой не упрочняются. Сплав ВМ65-1 упрочняется в результате старения, при этом прочность сплава увеличивается на 1—3 кГ/лш2. Сплав MAI 1 подвергается закалке и старению.

Среди неулрочняемых сплавов широкое .применение находят сплавы на основе двух (систем: Mg—А1—Мп -и Mg—А1—Zn—Мп.

Для обеспечения лучшего сопротивления коррозии полуфаб­ рикаты из деформируемых магниевых сплавов подвергаются оксидированию. Особые свойства каждого сплава предопреде­ ляют области применения и преимущественное 'изготовление из него определенных полуфабрикатов (табл. 5).

Сплав МА1 отличается высокой коррозионной стойкостью, высокой пластичностью в горячем состоянии, а также хорошей свариваемостью и может во многих случаях заменить алюми­ ниевые сплавы АМц и АМг. Из сплава рекомендуется ‘изготов­ лять конструкции, не требующие при изготовлении их деталей сравнительно -высоких деформаций.

Сплав МА2-1 'рекомендуется для изготовления различных штампо-сварных конструкций, несущих значительные нагрузки.

'Преимуществом сплава МА8 являются хорошие технологиче­ ские свойства (штампуемость, прокатываемость, ирессуемость), а также высокая .коррозионная стойкость под напряжением. Свариваемость сплава удовлетворительная.

21

По сравнению со сплавом МА8 сплав МА9 обладает худшей свариваемостью. Сплав предназначен для работы при комнат­ ной и повышенной температурах и может применяться для об­ шивки и других деталей самолетов, работающих в условиях нагрева до 250° С.

Сплав ВМ'65-1 применяется для изготовления наиболее нагру­ женных деталей. Сочетая в себе хорошую пластичность в горя­ чем состоянии, высокие механические свойства и отсутствие склонности к коррозии под напряжением, он принадлежит к числу лучших магниевых сплавов для работы при обычных тем­ пературах. Сплав подвергается термической обработке.

Сплав MAI 1 относится к теплостойким сплавам и может хо­ рошо работать при температурах, превышающих 250°С. Техно­ логическая пластичность сплава удовлетворительная. Сплав не склонен к коррозии под напряжением. Общая коррозионная стойкость его .несколько ниже, чем у сплава МА8.

Сплавы типа Mg—А1—Zn и Mg—Мп, используемые -при ком­ натной температуре, в промышленности США применяются уже много лет. Высокопрочные сплавы типа Mg—Zn—Zr (Z K60A) получили распространение сравнительно недавно. Сплав AZ31B в виде листа и прессованных заготовок широко используется в сварных конструкциях. Он обладает хорошими механическими свойствами и хорошей свариваемостью. Сплав термически не обрабатываемого типа, прочность его повышается от действия наклепа. Сплав AZ61A штампуется и куется, но термически не обрабатывается, тогда как сплавы AZ80A и ZK60A могут под­ вергаться старению.

Основное преимущество сплавов ZE10XA и ZK20XA перед сплавами системы Mg—А1—Z n— их высокая коррозионная стойкость под напряжением [19]. Это позволяет исключить тер­ мообработку сварных узлов после сварки с целью снятия оста­ точных напряжений.

Жаропрочные деформируемые магниевые сплавы НК31А и НМ21ХА, содержащие торий, относятся к числу сплавов, пре­ дельная температура длительной эксплуатации которых дости­ гает 350° С. Сплавы хорошо свариваются.

В ракете «Атлас — Аджена» применяются сплавы НМ21А-Т5

.(2% Th, 0,5% Мп), НМ21А-Т8 (2% Th, 0,8% Мп) и НМ31А-Т5

.(3% Th, d,5% Мп). Из магниевых сплавов изготовляют, на­ пример, переходники между космическим кораблем и ракетойносителем, бытовые отсеки космических кораблей [21].

Машиевые сплавы с торием обладают очень высоким сопро­ тивлением ползучести при температуре 300—400° С. Добавка цинка к сплавам Mg—Th—Zr уменьшает ползучесть сплава. При соотношении Th :Zn = 1,4 сплав обладает наименьшей пол­ зучестью. По механическим свойствам при 'кратковременном разрыве сплавы с торием не превосходят сплавы, легированные редкоземельными металл ами.

22

В последнее время появились сведения о применении сверх­ легких магниево-литиевых сплавов. Например, для изготовления

каркаса

(рамы)

крепления счетно-решающего устройства в ра­

кете

«Сатурн»

применен

сплав. LA141A, позволивший

снизить

массу конструкции на 29,5 кг. Одна­

Таблица 9

ко сварка магниево-литиевых спла­

вов была затруднена, и раму приш­

Относительная жесткость

лось

выполнить

литьем

[24]. Пред­

и вес полуфабрикатов прямо­

ставляет

интерес

отечественный

угольного сечения при различ­

ной высоте и одинаковой

сплав системы

магний — литий,

со­

ширине сечения

держащий 10—11,5% Li. Сплав об­

ладает

относительно

небольшой

Относитель­ высотаная %» Относитель­ несныйв % Относитель­ жест­ная прикость визгибе%

прочностью

(сгв=16

кГ1мм2)у

но

Сплавы

низкая плотность (у«1,5

г/смъ)

поз­

воляет получить высокую прочность

конструкции

при

малом

ее весе.

Этот

сплав

хорошо

сваривается

Алюминиевые

100 100

100

аргоно-дуговым способом.

Магниевые

100

65

63

Магниевые сплавы имеют самую

117

76

100

малую плотность из всех конструк­

158

100

226

ционных

материалов. Возможности

использования

магниевых

сплавов

Сталь

100

100!

100

в

промышленности

определяются

Магниевые

100

23

22

прежде

всего

их

механическими

165

38

100

и

технологическими

свойствами.

1 436 1!100'! 1857

В

большинстве

случаев

прочность

деформируемых

магниевых сплавов

ниже прочности стали, титановых и алюминиевых сплавов. Однако по удельной прочности они могут превосходить алю­ миниевые сплавы и стали. Ударная вязкость деформируемых магниевых сплавов составляет 0,8—1,0 кГ/см2.

При выборе сплава должны быть учтены и другие характе­ ристики, имеющие существенное значение, а именно модуль упругости и зависящая от него жесткость конструкции, динами­ ческая прочность и предел выносливости. Модуль упругости магния равен 4500 кГ)мм2. Он значительно ниже модуля упру­ гости алюминия (7300 кГ/лш2), титана (11 500 кГ1мм2) и стали (21 000 кГ/мм2). Так как жесткость конструкции зависит от мо­ дуля упругости сплава, то при одинаковом сечении изделие из магниевых сплавов обладает меньшей жесткостью, чем то же изделие из алюминиевых, титановых сплавов и стали. Для уве­ личения жесткости сечение изделий увеличивают в наиболее напряженных местах. Несмотря на более низкие прочностные свойства и меньший модуль упругости магниевых сплавов, за­ мена ими стали и алюминиевых сплавов может значительно снижать вес конструкций. По удельной жесткости магниевые сплавы превосходят алюминиевые, титановые сплавы и стали (см. табл. 8). При относительно небольшом увеличении высоты

23

сечения изделия из магниевых сплавов мож-но достигнуть рав­ ной жесткости при работе конструкции на изгиб по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталью. При этом будет значитель­ ная экономия в весе (табл. 9) [4].

Во многих случаях изделия из магниевых сплавов могут подвергаться значительным ударным и вибрационным нагруз­ кам. Энергия удара, поглощенная сечением, при напряжениях в пределах упругих деформаций прямо пропорциональна квад­ рату приложенного напряжения и обратно 'пропорциональна модулю упругости. Поэтому магниевые сплавы, обладающие низким модулем упругости, имеют высокую сопротивляемость удару и способны в значительной мере поглощать энергию уда­ ра. Низкий модуль упругости является преимуществом и в тех случаях, когда изделие воспринимает вибрационные нагрузки. В изделиях из магниевых сплавов вибрационные нагрузки вы­ зывают меньшее напряжение, чем в изделиях того же сечения, изготовленных из металла с высоким модулем упругости.

Магниевые сплавы обладают высоким сопротивлением уста­ лости, однако являются чувствительными к местным концентра­ циям напряжений. Состояние поверхности оказывает существен­ ное влияние на величину предела выносливости. Для повышения сопротивляемости усталости изделий при их изготовлении необ­ ходимо избегать острых углов, резких переходов сечений, зазуб­ рин, глубоких надрезов и других дефектов, понижающих эту характеристику магниевых сплавов.

Г л а в а II СВАРИВАЕМОСТЬ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ОСНОВНЫЕ ЗАТРУДНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

Выбор сплавов определяется не только «назначением изделии и «необходимыми механическими и другими эксплуатационными свойствами, которыми должен обладать -сплав, но и его техно­ логическими свойствами. К числу таких технологических свойств относится и свариваемость. Свариваемость может ока­ заться определяющим свойством при выборе сплава для штам­ пованной конструкции с большим количеством сварных швов.

Магниевые сплавы обладают рядом специфических свойств, вызывающих основные затруднения при сварке —это прежде всего .высокая химическая активность и сильное сродство магния к кислороду. Среди промышленных металлов магний стоит на одном из первых мест по степени сродства к кислороду, мало отличаясь от кальция, бериллия и лития.

При нагреве до высоких сварочных температур происходит активное окисление магния с образованием окис-ной пленки. Со­ единение магния с кислородом нерастворимо в расплавленном металле и имеет температуру плавления значительно выше (2800°С), чем металл (650°С). Значительная разница в темпе­ ратурах плавления окиси магния и магния приводит к тому, что покрывающая поверхность ванны расплавленного металла плен­ ка окиси магния препятствует сплавлению кромок основного металла, а также сплавлению его с присадочным. Плотность окиси магния (3,2 г/см3) значительно выше плотности металли­ ческого магния в расплаве (1,64 гДш3). Поэтому при сварке имеется опасность попадания пленки окиси магния в металл жидкой ванны, что нарушает сплошность металла шва.

В процессе плавления металлов, склонных к окислению, большую роль играет плотность окисной пленки, образующейся на поверхности расплава, от защитных свойств которой зависит дальнейшее окисление металла. Если отношение молекулярного объема пленки к атомному объему металла, на котором возни­ кает пленка, меньше единицы, то на металле не может возник­ нуть сплошная защитная пленка. Для магния это отношение равно 0,58; слой окиси магния не может заполнить весь объем, прежде занятый металлом, и окисная пленка получается порн-

25

•стон в отличие от окисной пленки на алюминии, меди, цинке и железе. Такая оки-сная пленка не оказывает существенного пре­ пятствия для доступа кислорода к находящемуся под ней ме­ таллу и тем самым не предохраняет металл от дальнейшего •окисления.

Защитные свойства пленки зависят во многом от примесей в расплавленном металле. Так, например, повышение содержа­ ния алюминия в магнии увеличивает скорость окисления. Каль­ ций и никель также ускоряют окисление, а церий и лантан сни­ жают. Добавка небольших количеств бериллия (до 0,005%) уменьшает окисление магния, резко повышая защитные свой­ ства пленки. Однако ни один элемент, введенный в магниевые сплавы с целью защиты от окисления, в условиях сварки плав­ лением не может сколько-нибудь эффективно препятствовать интенсивному окислению сварочной ванны. Поэтому защита по­ верхности сварочной ванны от окисления является обязатель­ ным условием нормального протекания процесса сварки. Это достигается защитой ванны с помощью расплава флюса или •созданием в зоне сварки защитной атмосферы инертного газа (аргона, гелия).

Для нормального проведения процесса сварки необходимо удалять окисную пленку со свариваемых поверхностей до нача­ ла сварки. В ряде случаев (при газовой и дуговой сварке под слоем флюса и обмазанными электродами) для удаления окисных пленок применяют специальные флюсы или обмазки, кото­ рые содержат активные раскислители, растворяющие окислы и переводящие их в легкоплавкие шлаки. Применение только спе­ циальных флюсов может оказаться недостаточным для полного и надежного удаления окисных пленок из металла сварного шва. Кроме того, применение флюсов может вызвать затекание шлаков в процессе сварки в щели и зазоры и образование в этих местах очагов повышенной коррозии, поскольку флюсы яв­ ляются высокоактивными по отношению к магнию веществами. Поэтому сварка ответственных узлов с применением флюсов, как правило, не производится.

Из всех существующих способов сварки плавлением только при дуговой сварке в среде инертных газов возможно избежать применения флюсов. Окисная пленка в этом случае разрушается сварочной дугой, горящей в инертном газе. Однако для проте­ кания этого процесса необходимы определенные условия.

Процесс разрушения окисной пленки при сварке в инертной среде принято называть катодным распылением, поскольку он имеет место только тогда, когда поверхность металла является катодом, т. е. при обратной полярности сварочного тока.

Механизм разрушения окисной пленки сварочной дугой не может считаться в достаточной мере изученным. Полагают например [13], что это явление имеет энергетический тепловой ха­ рактер, а не чисто электрический, хотя попытки выполнять арго-

26

но-дуговую сварку при прямой полярности постоянного свароч­ ного. тока обычно приводят к неудовлетворительному формиро­ ванию шва, поверхность его получается складчатой, неровной.

. Исследование процесса катодного распыления поверхност­ ной окионой пленки на алюминиевых сплавах под действием электрической дуги [23] показало, что катодное распыление дает такой, же эффект удаления окисной пленки, как и зачистка ме­ таллической щеткой. Эффективность очистки поверхности под сварку оценивали путем замера поверхностного электрического сопротивления. Обработка поверхности напильником или шабе­ ром не является более эффективной, чем очистка металлической щеткой или .путем катодного распыления. Поэтому авторы рабо­ ты {23] считают возможным очищать свариваемые поверхности перед -сваркой путем катодного распыления окисной пленки ма­ ломощной электрической дугой.

Однако такой способ оценки эффективности очистки, как за­ мер электросопротивления, вряд ли может считаться в доста­ точной мере обоснованным, поскольку, с одной стороны, элек­ тросопротивление зависит от рельефа -поверхности, а с другой — неизвестно влияние на электросопротивление количества адсорбированной влаги, вида полиморфного состояния гидрата окисла и некоторых других факторов.

Ранее предполагалось, что катодное распыление поверхност­ ной окисной пленки может происходить как за счет -бомбарди­ ровки поверхности положительно заряженными ионами, так и за счет работы выхода электронов с поверхности катода. Из­ вестно, что эффективность катодного распыления зависит от природы защитного газа. Так, на обратной полярности распыле­ ние наблюдается при использовании аргона и отсутствует при трении дуги в гелии. Поскольку характер потока электронов не зависит от природы -защитного газа, явление катодного распы­ ления можно объяснить движением в дуге положительно заря­ женных ионов и бомбардировкой ими поверхностной окисной пленки [23].

При сварке постоянным током на обратной полярности боль­ шая часть сварочного тепла выделяется не на свариваемом ме­ талле, а на электроде. Поэтому при токах, необходимых для нормального процесса сварки, будет расплавляться электродный металл (вольфрам), капли которого попадут в шов, а при уменьшении сварочного тока кромки металла не расплавятся или будут -проплавляться не на всю толщину. Практически по­ стоянный ток не нашел широкого применения для сварки маг­ ниевых сплавов. При сварке на переменном токе в периоды об­ ратной полярности происходит уничтожение окисной пленки на поверхности металла, а в периоды прямой полярности — некото­ рое охлаждение электрода.

Повышенная текучесть жидкого металла сварочной ванны •и практически полная потеря прочности металла при темпера­

27

туре твердо-жидкого состояния приводят к тому, что сварочная ванна может легко 'провалиться под действием собственного веса. Для предупреждения этого под свариваемый стык, как и при сварке алюминиевых сплавов, помещают специальную под­ кладку, изготовляемую обычно из меди или нержавеющей ста­ ли. Выполнение сварных стыковых швов с проплавом обеспечи­ вает более благоприятные условия для полного удаления окисных пленок из металла шва в процессе сварки, чем из металла швов, не имеющих проплава, так как попавшая в сварочную ванну оки-сная пленка, будучи тяжелее жидкого металла, опу­ скается в канавку. Высота проплава определяется глубиной ка­ навки, сделанной специально на подкладке для формирования проплава. Глубина канавки обычно составляет 0,8—2 мм, в за­ висимости от толщины свариваемого металла. Чем глубже ка­ навка, тем менее вероятно появление окисных включений в металле шва. В принципе могут 'быть найдены условия сварки стыковых соединений на гладкой подкладке, не имеющей фор­ мирующей канавки. Однако промышленная технология сварки на гладкой подкладке, обеспечивающая отсутствие окисных пле­ нок в металле шва, пока не разработана.

Вследствие высокой теплопроводности магния геометриче­ ские параметры сварного шва очень чувствительны к -измене­ ниям количества вводимого тепла. Поэтому для полной гаран­ тии провара свариваемых кромок количество вводимого тепла, т. е. режимы сварки по току, принимают обычно значительно большим, чем необходимо для полного проплавления. При свар­ ке металла малых толщин (менее 1,5 мм) минимально возмож­ ные размеры шва определяются размерами сварочной в;анны, объем которой в этом случае для магния (как и для алюминия) значительно больше, чем для стали. Специфичность физических свойств магния обусловливает тот факт, что однопроходные сварные швы магниевых сплавов всегда шире, чем у сталей при равной толщине основного металла.

Температура плавления магния несколько ниже, чем алюми­ ния (соответственно 650 и 658°С). Теплоемкость и теплопровод­ ность магния также меньше. В силу этого для расплавления единицы объема магния требуется приблизительно на 7з тепло­ ты меньше, чем для расплавливания алюминия [15]. Поэтому сварочные токи при сварке магния ниже, чем при сварке алю­ миния той же толщины.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ

Сварка магниевых сплавов сопровождается изменением их структуры в зоне, прилегающей к шву. Структура и свойства зоны термического влияния определяются физико-химическими свойствами сплава и процессами, -происходящими в твердом со­ стоянии при нагреве и охлаждении металла по термическому

28

циклу -сварки. Положение границ этой зоны зависит от терми­

ческого	цикла	нагрев — охлаждение, т. е. от режимов сварки.
При	сварке	чистого магния и термически неупрочняемых

сплавов 'в зоне термического влияния -наблюдается значительный рост зерна. Прочность таких сварных соединений может быть на 10—20% -ниже прочности основного металла, что обуслов­ лено ростом зерна и снятием нагартовки (если прочностные свойства были -повышены за счет последней). Магниевые спла­ вы, упрочняемые термообработкой, при сварке претерпевают значительные структурные изменения в зоне термического влия­ ния. Сварка -закаленного металла сопровождается распадом твердого раствора и вследствие этого существенным сниже­ нием прочности околошовной зоны до 0,7—0,5 прочности основ­ ного металла. Степень разупрочнения сварного соединения, вы­ званная структурными изменениями в околошовной зоне, зави­ сит от термического цикла сварки. Рост зер-на в околошовной зоне при сварке магниевых сплавов обычно происходит более интенсивно, чем у алюминиевых сплавов.

Сварной шов представляет собой литой металл, закристалли­ зовавшийся при высокой скорости охлаждения. В структуре металла шва магниевых сплавов обычно хорошо видно дендрит­ но-ячеистое строение. Ближе к зоне -сплавления часто можно наблюдать слой кристаллов столбчатого типа; в середине шва, как правило, — структуру равноосных зерен. При сварке маг­ ниевых сплавов в среде защитных газов химический состав шва весьма близок к составу основного металла, если сварка производилась с применением присадочного металла аналогич­ ного состава, и к расчетному составу, если состав присадочного металла отличался от состава основного металла.

При сварке алюминие­

вых сплавов самым рас-

Таблица 10

пространенным

дефектом

Растворимость водорода в некоторых

являются поры в металле

металлах в жидком

и твердом Sme

шва,

зоне

сплавления

и

состояниях

в

околошовной

зоне.

Растворимость

Практически

почти

во

водорода в

Относи­

равновесных

тельная

всех

швах

алюминиевых

Металл

условиях

г

разность

•сплавов

встречаются

по­

в c.us/100

^тв

Sme

ры

в

зоне

сплавления,

Sme

^тв

часто

не

выявляемые

рентгеновским контролем.

Основной

причиной

газо­

Алюминий

0,69

0,036

0,654

19,1

вой

пористости

в алюми­

Магний

51,0

19,0

32,0

1,58

ниевых

сплавах

является

Медь

2,1

1,54

0,56

0,37

водород,

растворимость

резко различна

которого

в

жидком

и твердом состояниях

(табл. 10). При сварке в среде аргона магниевых сплавов так­ же возможна пористость в металле шва. Большое абсолютное

29

значение объема газа, выделяющегося при охлаждении магния, дает основание для предположения о возможности образования пор за счет выделяющегося водорода.

Г. Д. Никифоров и Е. Г. Антонов изучали основные источ­ ники водорода, растворяющегося в сварочной ванне, при арго­ но-дуговой сварке магниевых сплавов [б]. Исследование вероят­ ных источников водорода и путей проникновения его в шов привело к выводу, что вызывающий газовую пористость водород образуется в результате взаимодействия жидкого металла ван­ ны с остатками влаги, содержащейся в частицах окисной плен­ ки, попадающих в процессе сварки в ванну.

Хотя основные причины и механизм образования пористости при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, по всей вероят­ ности, аналогичны, магниевые сплавы обладают существенно меньшей склонностью к образованию пор, - чем алюминиевые. Это, по-видимому, объясняется значительно меньшей относи­ тельной разницей между растворимостью водорода в жидком и в твердом состояниях для магния, чем для алюминия.

Основной проблемой при сварке магниевых сплавов является предупреждениеобразования трещин в сварных соединениях. В процессе сварки плавлением вследствие .нагрева и последую­ щего-охлаждения происходит деформация различных участков сварного соединения. Наличие растягивающих упруго-пластиче­ ских деформаций» нарастание которых происходит -с нкчала охлаждения до окончания кристаллизации металла сварочной ванны, а также наличие прослоек жидкости, обогащенной ликвирующими элементами, между кристаллами уже затвердевшей части сварочной ванны обусловливают возможность образова­ ния горячих трещин.

Основными металлургическими факторами-, влияющими на склонность к образованию кристаллизационных трещин при сварке, являются величина температурного интервала хрупкости ТИХ (т. е. такой температурной области, в которой металл сва­ рочной ванны, находясь в твердо-жидком состоянии, обладает пониженной пластичностью), а также величина пластичности металла шва в ТИХ. С уменьшением ТИХ и увеличением пла* стических свойств в ТИХ склонность сварного соединения к го­ рячим трещинам уменьшается. Снижение жесткости конструк­ ции или жесткости закрепления свариваемых деталей, предва­ рительный или сопутствующий подогрев изделия снижают вероятность появления 'кристаллизационных трещин, поскольку при этом уменьшается интенсивность нарастания упруго-пласти­ ческих деформаций при затвердевании металла шва. Типичны­ ми примерами кристаллизационных трещин могут быть тре­ щины в кратерах, продольные трещины в местах начала шва и т. д.

Склонность к образованию горячих трещин или обратную характеристику — сопротивляемость горячим трещинам при

30