Сварка алюминия и алюминиевых сплавов

12.07.2018
Авиационная и космическая техника, тепловая и атомная энергетика, химическая и продовольственная промышленность, различные отрасли машиностроения — все они применяют цветные металлы в различного рода сварных конструкциях. В начале 1950-х гг. в ИЭС создается специализированный отдел по сварке этих материалов. Возглавил его Д.М. Рабкин.

В Украине происходит постоянное увеличение объемов применения алюминия и высокопрочных сплавов на его основе. Используются деформированные полуфабрикаты для производства железнодорожных пассажирских вагонов, легковых и грузовых автомобилей, автобусов, самолетов, изделий медицинской и пищевой промышленности, а также в строительстве. Применение новых сплавов предполагает решение трех основных задач: уменьшение массы изделий, повышение их эксплуатационных характеристик и снижение стоимости производства. Большое внимание уделяется улучшению свариваемости сплавов и разработке высокоэффективных технологий при изготовлении изделий новой техники.

Значительные трудности, возникающие при сварке плавлением алюминиевых сплавов, связаны с их большой химической активностью. Взаимодействие с кислородом и склонность к поглощению водорода приводят к возникновению в швах грубых оксидных пленок и пористости. Высокопрочные алюминиевые сплавы склонны к образованию горячих трещин и разупрочнению при сварке плавлением. Эти особенности явно проявились в новых высокоресурсных алюминиево-литиевых сплавах, которые, благодаря низкой плотности и повышенному модулю жесткости, позволяют на 10...15 % уменьшить массу конструкций.

Научные и инженерные разработки в области сварки алюминия и его сплавов были начаты в Институте электросварки им. Е.О. Патона в 1951 г. Потребовалось в сжатые сроки организовать поточное производство цистерн из сплава АМц толщиной 18...20 мм для перевозки и хранения сжиженных газов и других химических продуктов, используемых в качестве ракетного топлива.

Задача была решена путем разработки и внедрения в массовое производство автоматической сварки по слою флюса марки AH-Al. Такая технология была использована в массовом производстве емкостей на заводах «Большевик» (г. Киев), «Красный Октябрь» (г. Фастов), на Сумском машиностроительном заводе им. М.В. Фрунзе. На Мариупольском ПО «Азовмаш» этим способом изготавливались железнодорожные цистерны и емкости для хранения и транспортировки различных пищевых и химических продуктов, таких, как вода, молоко, азотная кислота и другие.

В 1960-1970-х гг. началось активное применение алюминиевых сплавов повышенной прочности в авиации. Сварка по слою флюса не обеспечивала требуемых производительности, качества шва и эксплуатационных свойств соединений. При сварке металла толщиной свыше 15 мм увеличивалась опасность образования шлаковых включений и пор в швах. Указанные обстоятельства обусловили необходимость разработки новых эффективных способов и технологий дуговой сварки в инертных газах, а также электронным лучом.

Ведущее положение заняла аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом на переменном токе.

Иттрированные электроды позволили увеличить мощность дуги в 1,5-2,0 раза и добиться существенного повышения ее проплавляющей способности. Использование электродов диаметром 10 мм дало возможность сваривать за один проход однофазной высокоамперной дугой (до 900...1000 А) алюминиевые сплавы толщиной до 20 мм, а трехфазной дугой — до 30 мм. Было разработано соответствующее сварочное оборудование. Уже к середине 1960-х гг. технология автоматической сварки высокоамперной дугой корпусных изделий ракет-носителей из сплава АМг6 эффективно использовалась на предприятиях конструкторских бюро С.П. Королева, В.П. Челомея, М.К. Янгеля.

Идея интенсификации перемешивания металла сварочной ванны с целью измельчения оксидных включений и одновременно его дегазации была реализована при сварке неплавящимся электродом пульсирующей дугой.

Была установлена высокая эффективность применения асимметричного разнополярного тока прямоугольной формы для дуговой и плазменной сварки.

Исследования физических явлений, происходящих в дуге, позволили достичь более высокой концентрации тепловой энергии при гелиеводуговой сварке вольфрамовым электродом постоянным током по сравнению со сваркой переменным током в аргоне. Это способствовало повышению проплавляющей способности дуги и снижению в 1,5-2,0 раза погонной энергии.

В середине 1960-х гг. Б.Е. Патон инициировал расширение применения импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом, которая используется в промышленном производстве алюминиевых конструкций. Были созданы технологии сварки при изготовлении уникальных баков для ракетно-космических комплексов на предприятиях НПО «Энергия», корпусов легких десантируемых бронемашин на Волгоградском заводе и бронемашин пехоты на Курганском машиностроительном заводе, пассажирских железнодорожных вагонов и вагонов метро, самосвальных платформ автомобилей, автомобильных рефрижераторов, надстроек судов и других изделий.

Высокие требования, предъявляемые к сварным соединениям толстостенных емкостей из сплава АМцС и технического алюминия для хранения и перевозки химически агрессивных продуктов, привели к разработке в ИЭС им. Е.О. Патона высокопроизводительной технологии сварки плавящимся электродом большого диаметра (3...4 мм) стационарной дугой в смесях гелия и аргона. Такие смеси позволили не только уменьшить в 2-8 раз объем микропустот в наплавленном металле, повысить механические свойства и коррозионную стойкость сварных соединений, но и увеличить на 40...60 % производительность процесса сварки. Новые технологии были успешно внедрены при изготовлении емкостей на Балашихинском НПО «Криогенмаш», в поточном производстве алюминиевых котлов железнодорожных цистерн на ПО «Азовмаш». Для соединения компактных толстостенных (50...150 мм) заготовок были разработаны специальное оборудование и технология узкощелевой сварки импульсной и стационарной дугой плавящимся электродом в гелии и его смесях с аргоном.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС), в отличие от дуговых способов соединения алюминиевых сплавов, характеризуется уникальным сочетанием особенностей: высокой плотностью энергии в пучке малого диаметра, надежной защитой зоны сварки и рафинирующим Воздействием вакуумной среды, возможностью достижения очень высоких скоростей кристаллизации жидкого металла. ЭЛС применили для изготовления ответственных и высоконагруженных конструкций, работающих в условиях космического вакуума, знакопеременных нагрузок и очень низких температур. В промышленных условиях освоена ЭЛС деталей и узлов из высокопрочных алюминиевых, алюминий-литиевых, алюминий-скандиевых сплавов — от миниатюрных до крупногабаритных, толщиной от десятых долей миллиметра до 200...600 мм. При сварке крупногабаритных ракетных баков суммарная протяженность сварных швов достигает 100...150 м.

Использование сканирования пучком и программирования тепло-вложения в сочетании с подачей присадочной проволоки позволяет снизить требования к точности сборки стыка без потери качества формирования швов при зазорах до 3,0 мм (толщина заготовок 50...100 мм).

Хорошие результаты ЭЛ С обеспечила при изготовлении стрингерных панелей из тонколистового материала.

Большим достижением ИЭС последних лет стало создание технологии электронно-лучевой сварки циркония большой толщины. Это открывает больше возможности использования циркония в качестве конструкционного материала для новых поколений летательных аппаратов и в энергетике.

В последние годы в ИЭС расширены технологические работы в области сварки различных алюминиевых сплавов в твердой фазе.

Необходимость сварки высокопрочных алюминиевых сплавов различных систем легирования (AlДMg, АlДСu, АlДZnДMgДСu) и особенно нового класса сверхлегких алюминиево-литиевых сплавов, которыми занимаются академик И.Н. Фридляндер и его сотрудники, привела к многолетнему творческому сотрудничеству ИЭС им. Е.О. Патона и ВИAM. Следствием этого явились успешное решение проблем свариваемости, внедрение новых материалов и процессов сварки в производство. Эффективность сварных конструкций, например топливного бака и кабины пилота из алюминиево-литиевого сплава типа 1420, подтверждена созданием и многолетней эксплуатацией сверхзвуковых истребителей серии МиГ-29.

Б.Е. Патон и руководители Всероссийского института авиационных материалов разных лет И.И. Сидорин, А.Т. Туманов, Р.Е. Шалин, Е.Н. Каблов сумели создать исключительно плодотворную творческую атмосферу сотрудничества и взаимопонимания между коллективами институтов. Это позволило авиационной и ракетной промышленности СССР значительно опередить ведущие фирмы и ведомства западных стран в использовании цельносварных блоков в летательных аппаратах. А энергичная поддержка предложений Б.Е. Патона по широкому использованию сварки в авиационной технике Генеральными конструкторами — А.А. Туполевым, С.В. Ильюшиным, П.О. Сухим, С.А. Лавочкиным, А.С. Яковлевым, А.И. Микояном, П.В. Балуевым, O.K. Антоновым обеспечила приоритет отечественной школы сварщиков и материаловедов.

В 1990-е гг. совместно с ВИАМ и ВИЛС, его руководителями А.Ф. Беловым и В.И. Добаткиным были выполнены работы, направленные на улучшение характеристик технологичности, в том числе свариваемости алюминиевых полуфабрикатов путем оптимизации химического состава и микролегирования цирконием и скандием перспективных сплавов. В ИЭС были созданы специальные сварочные материалы, содержащие до 0,5 % скандия. Благодаря этому целый ряд высокопрочных трудносвариваемых сплавов приобрели удовлетворительную свариваемость, а прочность швов возросла на 10...15 %. Еще более значительный эффект достигнут при легировании скандием также и основного металла.

Результаты фундаментальных исследований и внедрение технологических разработок в промышленное производство изделий из алюминиевых сплавов были изложены в монографиях под редакцией Б.Е. Патона. Разработки с участием ИЭС отмечены тремя государственными премиями России и академической премией им. Е.О. Патона. Государственная премия Украины присуждена «За создание теоретических основ производства ответственных деталей и узлов машин из высокопрочных легких конструкционных материалов».