При выплавке алюминия или его сварке весьма нежелательными, но практически неизбежными являются неметаллические включения, состоящие в основном из

79

оксидов алюминия А12От

Неметаллические включения, нарушая сплошность и однородность металла, приводят к ухудшению всех его наиболее ценных свойств — прочности, пластичности, электропроводности, коррозионной стойкости и др. Обладая высокой адсорбционной способностью к газам и парам воды, включения A12Oj являются также одной из основных причин газонасыщения металла, приводящего к возникновению пор [7]. Поэтому для получения качественного металла шва при электродуговой сварке алюминия необходимо прежде всего:

а) принять все меры для предупреждения внесения Al2Oj в реакционную зону с основным металлом и свариваемыми материалами;

б) защитить расплавленный металл от окисления;

в) активно очищать металл шва от неметаллических включений, т. е. производить его рафинирование.

Указанные требования проще и полнее всего выполняются при сварке алюминия под флюсом закрытой дугой. В этом случае расплавленный металл надежно изолирован от контакта с кислородом атмосферы, количество Alfij, поступающее в сварочную ванну, резко снижается, что существенно облегчает выполнение последующего рафинирования.

Интенсивное и достаточно полное удаление оксидных частиц и пленок из сварочной ванны может происходить только лишь с использованием флюсов. При сварке в среде инертных газов в процессе катодного распыления происходит лишь частичное разрушение оксидной пленки с поверхности свариваемого стыка и оттеснение ее к краям ванны, тогда как значительная часть оксидов остается в металле шва. Поэтому при сварке в среде инертных газов предъявляются повышенные требования к качеству подготовки кромок свариваемых деталей и поверхности электродной проволоки [32].

Рафинирующее влияние флюса при сварке можно оценить по содержанию А120} в металле шва путем сравнения полученных значений с концентрацией А1203 в исходном

основном металле. Определение концентрации оксида алюминия в алюминии производилось бромметеноловым методом, который обеспечивает наиболее точные и стабильные результаты [36]. Так, например, при сварке пластин из алюминия АДОО под хорошо прокаленным флюсом ЖА-64А электродной проволокой, прошедшей травление в щелочной среде с последующим осветлением в растворе азотной кислоты, содержание А12Оу в металле шва составило 0,007 %. Полученное значение концентрации А1203 в металле шва почти в 4 раза меньше, чем в свариваемом металле (рис. 2.36), что свидетельствует о высокой рафинирующей способности флюса ЖА-64 при сварке

OofMmtfMngu _

Рис. 2.36. Влияние подготовки электродной проволоки и флюса на концентрацию оксидов алюминия в металле шва: 1 — флюс прокален, проволока протравлена; 2 — флюс после 1 месяца хранения, проволока протравлена; 3 — флюс прокален, проволока после 1 месяца хранения; 4 — флюс прокален, проволока нетравленая

алюминия закрытой дугой [126].

Чтобы определить влияние способа сварки на рафинирование металла шва, производилась сварка пластин встык по слою плавленого флюса АН-А1. При этом

сохранялись условия сварки, аналогичные предыдущему опыту. Полученные результаты определения концентрации Al2Oj в металле шва показывают (рис. 2.37), что при сварке по слою флюса АН-А1 концентрация А120} возросла до 0,036 %. Сравнение результатов проведенных опытов свидетельствует о надежной защите сварочной ванны от контакта с окружающей средой при сварке закрытой дугой, что позволяет получать стабильную газовую фазу в реакционном пространстве и осуществлять глубокое

Alfit

0

Рис. 2.37. Влияние состава флюса н способа сварки на концентрацию оксидов алюминия в металле шва: 1 — флюс Ж А-01, сварка под флюсом; 2 — флюс АН-А1 на криолите с М= 1,62, сварка по флюсу; 3 — флюс ЖА-64А на криолите с Л#= 2,13, сварка под флюсом; А — флюс ЖА-64 на криолите с М= 1,62, сварка под флюсом; S — флюс ЖА-64А на криолите с М= 1,62 сварка под

флюсом

%

0,04 —

0,02 — 0,01-

0.03 —

рафинирование металла шва при сварке.

Чтобы оценить влияние длительности хранения флюса на его рафинирующую способность, производилась сварка пластин встык под флюсом ЖА-64А после хранения его в открытой таре в течение одного месяца. Флюс перед сваркой не прокаливался и содержал 0,16 — 0,18 г Н20 на 100 г флюса. Обработка поверхности электродной проволоки производилась по обычной технологии непосредственно перед сваркой. В процессе сварки под увлажненным флюсом
происходит взаимодействие адсорбированной флюсом влаги с алюминием, в результате которого образуется оксид алюминия и водорода:

Н20 +А1 =А120j + 6Н

Таким образом, за счет внесенной флюсом в реакционное пространство влаги следует ожидать увеличения количества неметаллических включений в металле шва. По результатам анализа, содержание А120} в шве при этом составило 0,0090 %, что несколько больше, чем при сварке под прокаленным флюсом, однако значительно меньше, чем в основном металле (0,024 %) (см. рис. 2.36).

Аналогичным образом оценивалось влияние различных элементов технологии сварки на загрязненность металла шва неметаллическими включениями. Так, например, при сварке алюминия количество А1203 внесенного в сварочную ванну, будет различным в зависимости от способа обработки поверхности прово’локи и последующей длительности ее хранения. Поэтому, например, при сварке алюминия в среде защитных газо^ длительность хранения электродной проволоки ограничивается в зависимости от способа ее подготовки и условий ее хранения.

Для определения влияния длительности хранения электродной проволоки на содержание А120} в металле шва производилась сварка пластин встык электродной проволокой, хранившейся на воздухе в течение месяца после ее обработки в растворе щелочи с последующим осветлением в растворе азотной кислоты. При сварке использовался флюс непосредственно после прокалки. Согласно полученным результатам, содержание А120} в шве составило 0,010 %, что превышает концентрацию А130} в металле шва при сварке электродной проволокой непосредственно после ее обработки.

При сварке обезжиренной от смазки электродной проволокой, подвергшейся травлению, содержание А1203 в шве возрастает и составляет 0,013 %. Однако во всех проведенных опытах содержание А120} в шве остается значительно ниже, чем в сварочном металле.

Принципиально важно оценить влияние Si02, входящего в состав флюса ЖА-64 для сварки алюминия закрытой дугой, на загрязненность металла шва неметаллическими включениями. Можно было ожидать, что введение во флюс 3 % Si02 для снижения его

электропроводности вызовет ряд нежелательных побочных явлений, например легирование металла шва кремнием, засорение металла неметаллическими включениями и т. д. с учетом возможной реакции:

3 Si02 + 4 А1 — 2 А120} + 3 Si.

Восстановление Si из Si02 флюса и переход его в металл шва подтверждается данными химического анализа. Однако существенного увеличения количества включений А120} в металл шва не наблюдается, что, вероятно, является результатом рафинирующего действия флюса (см. рис. 42).

Для выяснения роли криолита в процессе рафинирования металла при сварке под флюсом ЖА-64 он был полностью выведен из состава флюса. Сварка образцов производилась под опытным флюсом ЖА-01, содержавшим КС1 — 68 %, NaCl — 27 %, CaF2 — 5 %. При этом включения А120} в металле шва составили 0,041 %, что почти в два раза больше, чем в исходном основном металле (см. рис. 42).

Таким образом, высокая рафинирующая способность керамического флюса ЖА-64А определяется, прежде всего, наличием в его составе криолита. Однако состав технического криолита, поставляемого заводами согласно ГОСТу 10561-80, существенно изменяется в зависимости от его модуля [20]. Проведенные ранее исследования некоторых физико­химических свойств флюса ЖА-64 в зависимости от модуля криолита показали, что температура плавления, электропроводность, плотность и жидкотекучесть флюса при этом существенно изменяются [98]. Для определения влияния

модуля технического криолита на рафинирующую способность флюса при сварке алюминия закрытой дугой производилась сварка пластин под флюсом ЖА-64А с использованием криолита с модулем М “ 1,62 и М ”2,13. По результатам определения Л120} в металле шва (см. рис. 2.37), большей рафинирующей способностью обладает флюс, в состав которого входит криолит с модулем М = 1,62. При сварке под флюсом с модулем криолита М — 2,13 концентрация Л120} в металле шва увеличивалась до 0,012 %. Повышенное рафинирующее действие флюса с меньшим модулем криолита объясняется избыточным содержанием во флюсе фторида алюминия, при взаимодействии которого с металлом образуется значительное количество газообразного субфторида алюминия [25], что способствует более эффективной очистке жидкого алюминия от А12Ог Однако, и в этом случае независимо от модуля криолита содержание А120} в металле шва остается ниже, чем в свариваемом металле, что свидетельствует о высокой рафинирующей способности процесса сварки алюминия закрытой дугой. !