CC BY
1
Секция «Сварка летательных аппарате)]? и родственные технологии»
УДК 621.791.7
СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОКИСНОЙ ПЛЕНЫ НА КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКОЙ
НС. Плеханов*, О.В. Щербина, А.И. Лапков Научный руководитель - В.В. Богданов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: nikitaplekhanov@mail.ru
Рассмотрен комплекс технологически мероприятий подготовки под электронно-лучевую сварку алюминиевых поверхностей с целью получения качественных сварных соединений.
Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, подготовка под сварку, оксид алюминия, зона слабины.
REDUCING THE INFLUENCE OF OXIDE FILM ON THE QUALITY OF WELDED JOINTS FROM ALUMINUM ALLOYS MADE BY ELECTRON BEAM WELDING
N.S. Plekhanov *, O.V. Shcherbina, A.I. Lapkov Scientific Supervisor - V.V. Bogdanov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: nikitaplekhanov@mail.ru
A set of technological measures for preparing aluminum surfaces for electron-beam welding in order to obtain high-quality welded joints is considered.
Keywords: electron beam welding, welding preparation, aluminum oxide, slack zone.
Формирование сварного шва, выполненного из алюминиевого сплава электронно-лучевой сваркой (ЭЛС) определяется совокупностью технологических и энергетических параметров процесса. При этом, как правило, сварное соединение образует четыре основные области: металл изделия, зона термического влияния, металл сварного шва и так называемая «зона слабины» [1]. Зона слабина присутствует не только в сварных швах, выполненных из алюминиевых сплавов, но именно в таких неразъёмных соединениях её отрицательное влияние на эксплуатационные параметры этих соединений особенно заметно.
Зоной слабины является область скопления металлических и неметаллических включений, расположенных вдоль вертикальной оси сварного шва. При изготовлении заготовок и деталей из алюминиевых сплавов для производства сварных конструкций применяются специализированные металлургические, заготовительные и иные технологии, допускающие попадание на свариваемые кромки вредных примесей и их модификаций с последующей локализацией включений.
В процессе ЭЛС при кристаллизации металла сварного шва кристаллы металла «выталкивают» все инородные примеси и включения за пределы пространства, которое будет занимать вновь образуемый кристалл. В силу того, что начальные центры кристаллизации расположены на периферии расплавленного металла, вытеснение примесей
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
и включений происходит преимущественно от периферии к центру шва. При завершении кристаллизации вдоль вертикальной оси сварного шва появляется зона слабины с физическими свойствами, резко отличающимися от свойств металла шва [1]. Это вызвано тем, что основной составляющей зоны слабины является оксид алюминия Л1203. Но кроме него там могут присутствовать и другие химические соединения.
С учетом того, что коэффициент температурного расширения оксида алюминия в три раза меньше, чем у чистого алюминия, при деформациях, вызванных температурными изменениями, повышенными динамическими и статическими нагрузками, механическая связь между алюминием и компонентами зоны слабины нарушается в силу их различных реакций на такие воздействия. В результате этого очень высока вероятность возникновения в сварных соединениях таких дефектов, как внутренние трещины, что в свою очередь может привести к разрушению самого сварного шва, а так же изделия в целом.
Как правило, в сварных швах, выполненных из алюминиевых сплавов, удельная масса компонентов зоны слабины больше чем удельная масса металла сварного шва и поэтому они не всплывают на поверхность в виде шлаков, а остаются в центральной либо нижней части литой зоны шва. При проведении рентгеновского контроля сварных швов, выполненных ЭЛС из алюминиевых заготовок и деталей, зона слабины может быть идентифицирована по рентгеновскому снимку и описана как внутренние дефекты шва типа «окисная плена».
С целью уменьшения отрицательного влияния оксида алюминия и других загрязнений на качество сварных соединений необходимо выполнять следующие основные технологические мероприятия:
- устранение оксида алюминия и других загрязнений механическим способом;
- устранение оксида алюминия и других загрязнений химическим способом;
- устранение оксида алюминия и других загрязнений электрохимическим способом.
Механический способ зачистки свариваемых кромок перед сваркой является основным
видом подготовки деталей из алюминиевых сплавов под сварку. При ЭЛС он должен применяться всегда.
Наилучшие результаты качества зачистки свариваемых кромок можно получить при шабрении или механической обработке на токарных и фрезерных станках при условии, что не применяются смазочно-охлаждающие жидкости.
Применение металлических щеток без последующего шабрения недопустимо, т.к. после зачистки металлическими щетками на алюминиевых свариваемых поверхностях остается стальной налет, который в процессе ЭЛС образует вредные и практически не удаляемые из сварного шва химические соединения.
Применение пескоструйной обработки, абразивных кругов и наждачной бумаги без последующего шабрения также недопустимо. В процессе такой зачистки в сравнительно мягкую поверхность алюминиевых свариваемых кромок внедряются мельчайшие неметаллические частицы абразивного материала, которые в процессе сварки образуют вредные химические соединения виде шлаков и включений.
Зачистке должны подвергаться торцы свариваемых кромок и сами кромки с лицевой и обратной стороны на участке шириной в половину сварного шва, но не менее чем на ширину 30 мм. Ширина участков, подлежащих зачистке, должна указываться в технологической документации.
Для получения сварных швов высокого качества необходимо выполнять окончательную механическую зачистку свариваемых поверхностей непосредственно на сборочно-сварочном участке, а сварку выполнять сразу после проведения окончательной механической зачистки, т.к. с течением времени толщина оксида алюминия может значительно увеличится. Покрытия на свариваемых деталях, наличие которых может привести к повышению давления в сварочной вакуумной камере, в т. ч. при нагреве в процессе ЭЛС, не допускаются.
Секция «Сварка летательных аппаратов и родственные технологии»
Зачистку, как правило, следует производить после обезжиривания органическими растворителями или после травления. Однако, при необходимости допускается проведение обезжиривания свариваемых поверхностей после зачистки, что должно быть отражено в технологической документации. При транспортировке и хранении узлов и деталей, собранных под ЭЛС, свариваемые кромки должны быть надежно защищены от механических повреждений и загрязнений.
Допустимый интервал времени от начала механической зачистки и до начала ЭЛС не должен превышать 6 часов. Если подготовленные под ЭЛС детали помещены в сварочную вакуумную камеру при остаточном давлении 13,3^1,33 Па и ниже, интервал времени между подготовкой к сварке и сваркой не регламентируется [2].
Химические способы зачистки свариваемых кромок перед ЭЛС являются желательными и могут быть как основным способом подготовки под сварку, так и дополнительным перед проведением механической зачистки свариваемых поверхностей. Существует два способа химической зачистки: щелочными и кислотными растворами. При травлении кромок в кислотных растворах образование пор в сварных швах практически исключено.
В зависимости от способа подготовки свариваемых алюминиевых поверхностей под ЭЛС, толщина и равномерность, химический состав и однородность окисной плены могут изменяться, но полностью удалить её с поверхности алюминия в неконтролируемой среде невозможно. После механической или химической зачистки свариваемая поверхность получается неровной, что объясняется неравномерностью её обработки механическим инструментом и неравномерностью вытравливания зерен алюминия химическими реактивами.
Даже при незначительных деформациях алюминиевых поверхностей, вызванных механическими и термическими нагрузками, происходит поверхностное растрескивание окисной плены. В местах трещин алюминий начинает взаимодействовать с кислородом воздуха окружающей среды. В результате этого взаимодействия на свариваемых поверхностях образуются новые кристаллы оксида алюминия и, таким образом, толщина окисной плены увеличивается. При этом, чем больше шероховатость поверхности, тем больше трещин на ней образуется, и как следствие, увеличивается толщина окисной плены.
Для уменьшения скорости роста окисной плены на свариваемых поверхностях применяется выравнивание алюминиевых поверхностей путем нанесение на них равномерной, однородной и плотной пленки оксида алюминия при помощи электрохимического полирования. Окисная плена, нанесенная путем электро-химического полирования, обладает рядом положительных свойств по сравнению с пленой, образующейся после химического травления. Она тоньше, равномернее, однороднее, плотнее и, что весьма важно, обладает меньшей способностью к адсорбированию влаги из окружающей среды.
При ЭЛС алюминиевых сплавов, полученные сварные швы, в случае строгого соблюдения технологии подготовки свариваемых поверхностей под сварку и технологической дисциплины, должны иметь характеристики не ниже 90% от основного металла.
Библиографические ссылки
1. В.В. Фролов. Дуговая сварка алюминия: справочно-учебное пособие/ В.В. Фролов. -Харьков: ИЦ «Технология», 2003. - 65 с.
2. ОСТ 92-1151-81. Сварка электронно-лучевая деталей из металлов и сплавов. Технические требования: отраслевой стандарт: издание официальное: введен впервые: дата введения 1981-12-30. - Москва: 1981 - 59 с.
© Плеханов Н.С., Щербина О.В., Лапков А.И., 2022
