Электрошлаковая сварка сплавов магния

Сплавы на основе магния и алюминия, так называемые легкие сплавы, являются весьма ценным конструкционным материалом. Что касается собственно магниевых сплавов, то это в некоторой степени перспективный конструкционный материал. Низкая плотность, хорошая обрабатываемость резанием, достаточно высокие механические свойства способствуют использованию магниевых сплавов в различных отраслях народного хозяйства и особенно там, где значительную роль играют вопросы снижения веса сварных конструкций. Надо полагать, что применение в последнее время для легирования магниевых сплавов редкоземельных металлов и других элементов расширит еще более область их рационального использования. С расширением области практического применения магниевых сплавов неизбежными будут вопросы, связанные со сваркой конструкций из металла большой толщины. Необходимо отметить, что как в отечественной, так и в зарубежной технической литературе еще недостаточно данных о сварке сплавов магния большой толщины, в связи с чем становятся актуальными вопросы изучения их свариваемости.

В настоящее время наибольшее применение находят сплавы магния системы Mg—Al—Zn, имеющие плотность в пределах 1,7—1,8 г/см3. Однако в последнее время наблюдается тенденция к созданию сплавов магния, легированных литием. Наиболее перспективные из них по показателям механических свойств находятся на уровне приведенных выше сплавов, но обладают меньшей плотностью (1,4—1,65 г/см3).

Ниже приведены некоторые сведения о сварке сплавов магния в защитных газах. Свариваемость магниевых сплавов изучена при использовании металла небольшой толщины; при этом в основном исследована аргонодуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродами с применением присадочных материалов, легированных различными элементами. Установлено, что под действием термического цикла сварки в околошовной зоне независимо от состава присадочной проволоки наблюдается диффузионное обогащение оплавленных границ зерен легирующими элементами, а также распад твердого раствора в объеме зерна, сопровождающийся выделением фаз, богатых цинком. Наиболее склонными к трещинообразованию оказались сплавы системы Mg—Al—Zn.

Показано также, что последующая термическая обработка сварных соединений сплава МА2-1 и других не оказывает существенного влияния на показатели механических свойств, коэффициент прочности которых составляет 0,8—0,9 [6, 7, 8, 93, Наиболее универсальным, с хорошими экономическими показателями может быть назван способ импульсно-дуговой сварки сплавов магния.

Однако с увеличением толщины свариваемого металла перечисленные выше способы сварки становятся малопроизводительными и не гарантирующими высокое качество сварных соединений. Так, ручная дуговая сварка не может рекомендоваться ввиду большой трудоемкости сварочных работ. He может быть рекомендована и многопроходная сварка в среде защитных газов либо под флюсом ввиду необходимости специальной подготовки кромок и периодической кантовки изделия во избежание значительных деформаций. Кроме того, при многопроходной сварке появляется опасность краевых несплавлений из-за неточного направления дуги вдоль шва, а также возможность появления кристаллизационных трещин, обусловленных большой жесткостью сварного стыка.

Поэтому для сварки сплавов магния большой толщины Институтом электросварки им. Е.О. Патона AН Украины рекомендуется способ электрошлаковой сварки. Возможны несколько вариантов электрошлаковой сварки сплавов магния большой толщины: электродными проволоками — для швов большой протяженности; плавящимся мундштуком — для швов большой протяженности и в местах резко ограниченного пространства; пластинчатым электродом — для швов малой протяженности. В качестве иссдедуемого металла при отработке технологии электрошлаковой сварки был использован сплав магния марки МА2-1 сечением 57х110 мм; электродным металлом служили пластины сечением 20х90 мм, вырезанные из листового материала. Для формирования шва были использованы раздвижные приспособления с карманом для наведения шлаковой ванны и двумя боковыми подкладками из меди. Электрошлаковая сварка осуществлялась на аппарате А550. Источником питания служил сварочный трансформатор с жесткой характеристикой, допускающей сварку на токах до 10 000 А. Величина тока устанавливалась автоматически в зависимости от скорости подачи электрода в шлаковую ванну. Что касается применения флюсов для электрошлаковой сварки сплавов магния, то к ним, помимо общих, предъявляются специфические требования, обусловленные физико-химическими свойствами свариваемых материалов. Например, необходимо определенное соотношение плотности металла и флюсов в жидком состоянии. Для электрошлаковой сварки сплавов магния были исследованы флюсы на основе систем, приведенных в табл. 1.

Данные о механических свойствах сварных соединений сплава магния МА2-1, выполненных электрошлаковой сваркой, приведены в табл. 2. Сварные швы испытывались непосредственно после сварки. В табл. 2 приведен также химический состав исходных материалов и металла шва.

Как видно из табл. 2, основной металл обладает различными показателями механических свойств в зависимости от места отбора образца. Низкие механические свойства наблюдаются при испытании образцов, отобранных из металла поперек его проката. Однако, несмотря на разницу механических характеристик свариваемого металла, сварные соединения имеют практически одинаковые свойства по всем направлениям вырезки. Химический состав металла шва мало отличается от химического состава сварного металла и определяется составом свариваемого металла, пластинчатого электрода и долями участия этих двух металлов в образовании шва. В случае сварки сплава МА2-1 сечением 57х110 мм доля участия основного металла в металле шва не превышает 30—40%. При электрошлаковой сварке пластинчатым электродом можно в широких пределах регулировать долю основного металла в металле шва.

На рис. 1 приведены макро- и микроструктуры металла шва сплава МА2-1, выполненного электрошлаковой сваркой. Как видно из рис. 2, металл шва представляет собой однородную столбчатую макроструктуру, характерную для электрошлаковой сварки.

Микроструктура металла шва представляет собой твердый раствор с выделением избыточной фазы по границам зерен. В металле шва наблюдаются шлаковые включения, что можно объяснить незначительной разницей между плотностью свариваемого металла и плотностью флюса в жидком состоянии. Чтобы исключить возможность появления шлаковых включений в металле шва, необходимы дальнейшие исследования по созданию более технологичных систем флюса. Внешний вид сварного соединения сплава МА2-1, выполненного электрошлаковой сваркой, показан на рис. 2.

Как известно, в настоящее время в промышленности находят широкое применение узлы цилиндрической формы. Неизбежным в этом случае является изготовление различных соединительных кольцевых изделий. Габаритные размеры их весьма разнообразны. Получать такие изделия цельнокатаными весьма трудоемко. Кроме того, из некоторых сплавов магния это сделать совершенно невозможно ввиду большого брака по поверхностным трещинам. Учитывая потребности промышленности в таких изделиях, особенно из магниевых сплавов, в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН Украины осуществлена сварка электрошлаковым способом магниевого сплава МА2-1 применительно к изготовлению кольцевых изделий из отдельных частей. Этот способ прошел широкое опробование в промышленности.

Технологический процесс изготовления кольцевых изделий с помощью электрошлаковой сварки пластинчатым электродом осуществляется в следующей последовательности: 1) получение гибкой, ковкой либо другим способом отдельного сектора кольца; 2) сборка кольцевой заготовки из нескольких секторов; 3) сварка; 4) механическая обработка. Технико-экономические показатели электрошлаковой сварки сплавов магния резко возрастают с увеличением толщины металла.

Однако, несмотря на возросшее использование магниевых сплавов в различных конструкциях, электрошлаковая сварка их остается пока малоизученной и не находит широкого применения. Между тем этот вид сварки, как известно, наиболее производителен и лишен тех недостатков, которые присущи ручной, а в некоторой степени и автоматической сварке, особенно многопроходной.