СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ Российский патент 1996 года по МПК B23K9/167 B23K9/18 

Изобретение относится к сварке плавлением (дуговой, электронно-лучевой, лазерной, плазменной и т.д.), в частности к способам сварки с использованием реагентов, и может быть использовано в различных областях машиностроения при сварке легких сплавов.

Известен способ сварки с применением сварочного флюса идя легких сплавов на основе фтористых солей (фтористый кальций, фтористый литий, фтористый магний, фтористый стронций) с добавкой металлов титана или циркония или алюминия, имеющих большое сродство к кислороду [1] Флюс в виде пасты наносят на свариваемые кромки, что обеспечивает повышение качества сварного соединения.

Недостатком способа является наличие пор в металле шва в случаях наличия на свариваемых кромках легких сплавов органических загрязнений, а также неудовлетворительное формирование шва при сварке в вакууме или на переменном токе.

Известен способ дуговой сварки плавлением легких сплавов, принятый за прототип, при котором фтористый флюс в виде суспензии толщиной 100-200 мкм наносят на поверхность свариваемых кромок и торцы [2]
Однако этот способ не обеспечивает предотвращения дефектов металла шва в виде пор и окисных включений при наличии на поверхности свариваемых кромок органических загрязнений и адсорбированной влаги. Кроме того, при сварке в вакууме концентрированным источником энергии происходит вскипание флюса и повышенное разбрызгивание сварочной ванны, что приводит к пористости шва, а при дуговой сварке на переменном токе наблюдается блуждание дуги и образование зашлаковок. Поры и газы, выделяющиеся из зоны сварки при разложении флюса, также приводят к нестабильности проплавления по периметру шва. Способ не обеспечивает экранировку сварочного источника от взаимодействия с флюсом, т. к. поток электронов и ионов проникает в зазор между стыком и взаимодействует с реагентом.

Целью изобретения является повышение качества металла шва за счет устранения пористости и окисных включений.

На фиг. 1 показана схема нанесения металлического порошка и флюса на свариваемые кромки стыкового соединения; на фиг. 2 схема нанесения металлического порошка и флюса на кромки при сварке концентрированными источниками энергии в вакууме и дуговой сварке на переменном токе; на фиг. 3 - схема нанесения металлического порошка и флюса по условиям фиг. 2 на часть торцов свариваемых кромок.

Способ состоит в нанесении тонким слоем толщиной 30-100 мкм на свариваемые кромки (верхнюю и нижнюю поверхности, торцов или только на поверхности или частично торец, или на все вместе) мелкодисперсного металлического порошка 1 с дисперсионностью частиц 5-50 мкм, разведенного в органическом связующем, например, спирте до пастообразной консистенции, нанесении на металлический порошок после его высыхания флюса 2 в виде суспензии на основе фтористых солей толщиной 100-200 мм, соединении свариваемых кромок деталей 3 и их сварке источником энергии 4.

При сварке концентрированным источником энергии в вакууме (электронно-лучевой, лазерной, полым катодом) и дуговой сварке на переменном токе на поверхность флюса со стороны действия источника 4 повторно наносят слой металлического порошка 5 (фиг. 2, 3).

При сварке по схеме фиг. 2 толщина и дисперсность порошка 5 идентична порошку 1. При сварке по схеме фиг. 3 металлическим порошком заполняют пространство стыка над флюсом. Причем во всех трех схемах в состав основы металлического никелевого порошка добавляют новые компоненты, а именно лантан, церий, в соотношении: La 13,0-35,0; Ce 0,5-18,0. Добавки в никелевый порошок лантана и церия способствуют интенсивному поглощению газов, выделяющихся при разложении флюса и органических загрязнений и влаги и, тем самым, снижают пористость металла шва. Применение никеля обусловлено предотвращением окисления лантана и церия кислородом, а также поглощением водорода. Без никеля лантан и церий превращаются в труху.

Экранирование металлическим порошком 5 в вакууме концентрированного источника энергии предупреждает разбрызгивание сварочной ванны, а при дуговой сварке на переменном токе устраняет блуждание дуги, снижает образование зашлаковок и окисных включений и улучшает формирование шва.

При толщине покрытия кромок металлическим порошком менее 30 мкм эффект его влияния на повышение качества металла шва снижается, а при толщине более 100 мим слой порошка начинает осыпаться и технологически усложняется нанесение на него флюса.

При дисперсности частиц компонентов металлического порошка более 50 мкм усложняется равномерное нанесение его на свариваемые кромки и перемешивание его компонентов. Нижний предел дисперсности частиц порошка ограничивают 5 мкм. При дисперсности частиц ниже 5 мкм происходит их комкование и связанное с этим неравномерное их нанесение на свариваемые кромки.

Процентное содержание лантана и церия установлено экспериментально. При содержании лантана менее 13% и церия менее 0,5% не обеспечивается полное поглощение выделяющихся при сварке газов и эффект повышения качества металла шва незначителен. При содержании лантана свыше 35% и церия свыше 18% наблюдается их окисление на воздухе и снижается эффективность применения никелевого порошка.

При экспериментальной проверке способа сварки плавлением были подготовлены шесть смесей ингредиентов металлического порошка на основе никеля и опробованы несколько схем его нанесения и флюса на свариваемые кромки (см. табл.). Сравнительную оценку вновь созданного и известного порошка проводили при лазерной, электронно-лучевой и аргоно-дуговой сварке стыковых соединений из алюминиевого сплава АМГ6 и магниевого сплава МА2-1 и длиной 300 мм в нижнем положении толщиной 3 и 15 мм. Свариваемые кромки имели органические загрязнения и адсорбированную влагу. Предварительно перед покрытием свариваемых кромок флюсом на основе фтористых солей на их поверхность наносили металлический порошок с дисперсностью частиц 5-50 мкм толщиной 30-100 мкм, разведенный в органическом растворителе до пастообразной консистенции. Лазерную и аргоно-дуговую сварку сплавов толщиной 3 мм выполняли на весу. Режим дуговой сварки:
АМГ6 V_cв 18 м/ч; I св 190 А
МA2-1 V_св 18 м/ч; I cв 150 А
Режим лазерной сварки:
Р_л 2 кВт; V_cв 2,08 м/с, Δ⊘ 0
Электронно-лучевую сварку сплавов толщиной 15 мм выполняли на подкладке. Режимы сварки:
АМГ6 U_уск 1 кB; V_св 50 м/ч; I л 160 мА
МA2-1 U_уск 28 кВ; V_св 60 м/ч; I л 190 мА.

Для получения влаги на поверхности свариваемых кромок подготовка образцов включала: обезжииривание щелочное и выдержку на воздухе в течение 15 суток или кипячение в дистиллированной воде в течение 1 ч. Для получения на поверхности свариваемых кромок органических загрязнений образцы не обезжиривали от консервирующих смазок, а лишь протирали сухими салфетками.

В качестве фтористых флюсов использовали смесь фтористого кальция, лития, магния и стронция в равных пропорциях дисперсностью частиц меньше 50 мкм, в качестве связующего спирт. Металлический порошок получали простым смешиванием порошкообразных компонентов никеля, лантана, церия с дисперсностью частиц 4-60 мкм. Металлический порошок разводили в спирте до пастообразной консистенции. Реагент флюса и порошка наносили на свариваемые кромки кистью. Образцы с покрытием сушили на воздухе, кромки стыковали и сваривали между собой. Оценку качества сварных соединений проводили по результатам внешнего осмотра, рентгеноконтроля и анализа изломов металла шва.

Из приведенной таблицы следует, что при схеме нанесения флюса и металлического порошка послойно пористость практически устранена при дуговой и лазерной сварке.

Технологический процесс сварки по прототипу не устраняет пористость в металле шва при соединении загрязненных свариваемых кромок. Электронно-лучевая сварка и дуговая сварка на переменном токе образцов, на верхнюю поверхность кромок которых нанесен флюс, вызывает нестабильное проплавление по длине и ширине шва и наличие зашлаковок и окисных включений.

Сварка по схеме фиг. 2 и 3 полностью предотвращает эти дефекты. При толщине металлического порошка менее 30 мкм количество пор в металле шва практически мало снижается, а при толщине слоя порошка более 100 мкм разброс результатов по пористости металла шва по его длине резко увеличивается. Лучшие результаты получены при дуговой и лазерной сварке в газозащитной среде. При электронно-лучевой сварке в вакууме без обезжиривания свариваемых кромок полностью пористость в металле шва устранить не удалось, хотя протяженность швов с дефектами снизилась на 90-95% по сравнению со способом прототипа. ТТТ1 ТТТ2 ЫЫЫ2

Использование: для сварки плавлением с использованием реагентов в различных областях машиностроения при сварке легких сплавов. Указанная цель достигается тем, что в известном способе сварки плавлением, при котором на свариваемые кромки наносят флюс в виде суспензии на основе фтористых солей, предварительно перед покрытием флюсом на свариваемые кромки наносят металлический порошок с дисперсностью частиц 5-50 мкм толщиной 30-100 мкм, разведенный в органическом растворителе до пастообразной консистенции. При сварке концентрированным источником энергии в вакууме и дуговой сварке на переменном токе металлический порошок дополнительно наносят на поверхность флюса со стороны действия сварочного источника энергии. Металлический порошок берут со следующим соотношением компонентов, мас.%: лантан 13,0-35,0, церий 0,5-18,0, никель - остальное. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Способ сварки плавлением легких сплавов, при котором на свариваемые кромки наносят флюс в виде суспензии на основе фтористых солей, отличающийся тем, что, с целью повышения качества металла шва, перед нанесением флюса на свариваемые кромки наносят слой металлического порошка на основе никеля с дисперсностью частиц 5-50 мкм, разведенного в органическом растворителе до пастообразной консистенции, толщиной от 30 до 100 мкм, причем в состав порошка введены лантан и церий при следующем соотношении компонентов, мас.

Лантан 13,0-35,0
Церий 0,5-18,0
Никель Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сварке концентрированными источниками энергии и дуговой сварке на переменном токе металлический порошок дополнительно наносят на поверхность флюса со стороны действия сварочного источника энергии.