Алюминий отличается высокой электропроводностью, пластичностью,теплопроводностью, коррозионной стойкостью, обрабатываемостью в холодном и горячем состоянии.
В техническом алюминии примесями являются железо, кремний и медь. С повышением содержания примесей увеличивается предел прочности и уменьшается пластичность; алюминий высокой чистоты имеет невысокую прочность, но хорошую пластичность.
При всех видах сварки алюминия металл шва по коррозионной стой-кости уступает основному металлу. Это обусловлено наличием в шве пор, рыхлот и меньшей плотностью защитной окисной пленки. Повышение стойкости св. швов может быть достигнуто уменьшением скорости охлаждения металла шва, а также легированием его элементами, улучшающими защитные свойства пленки.
Микроструктура чистых алюминиевых швов характеризуется столбчатой направленностью кристаллитов вдоль линии теплоотвода. У линии сплавления кристаллиты шва являются продолжением зерен оплавленного основного металла. Поэтому чем крупнее зерно свариваемого металла, тем крупнее кристаллиты металла шва. С возрастанием скорости сварки поперечные размеры кристаллитов уменьшаются, а при неизменном режиме возрастают с повышением температуры предварительного подогрева.
Структура шва определяет свойства сварного соединения (механические, коррозионные, стойкость против трещин и др.). Наиболее заметное влияние на коррозионную стойкость, а также склонность к образованию кристаллизационных трещин оказывают железо и кремний.
Рис. 3.1 – Железо и кремний связанные в тройные соединения
В соответствии с диаграммой состояния при кристаллизации алюминия нормальной чистоты сначала образуется однородный твердый раствор алюминия. Вследствие снижения растворимости примесей при дальнейшем охлаждении в алюминии выделяются мелкодисперсные включения интерметаллидных соединений и отдельных элементов, образуются самостоятельные фазы – FeAl3, Si и тройные соединения.
При быстром охлаждении, кроме твердого раствора алюминия в зависимости от соотношения примесей и скорости охлаждения в структуре металла могут быть обнаружены следующие фазы: FeAl3, α(FeSiAl) и β(FeSi). В технических марках алюминия железо и кремний обычно связаны в тройные соединения (рис.3.1). При достаточном количестве их образуется эвтектика, которая напоминает китайский шрифт. Двойные сплавы алюминия с железом имеют небольшой интервал кристаллизации и поэтому мало склонны к образованию трещин при сварке (и литье).
Присутствие в алюминии сотых долей процента железа сильно снижает химическую стойкость чистого алюминия.
Введение кремния в алюминий, содержащий небольшое количество железа, изменяет характер кристаллизации металла и вызывает увеличение интервала кристаллизации. При относительно малом содержании кремния и большом количестве железа интервал кристаллизации сужается и металл шва практически мало склонен к образованию трещин. С увеличением содержания кремния до концентрации, когда образуется тройная эвтектика, склонность швов к образованию трещин резко усиливается.
Увеличение содержания примесей, уменьшающих склонность шва к образованию трещин, резко снижают общую и межкристаллитную коррозию.
Склонность к образованию трещин и склонность к образованию межкристаллитной коррозии взаимосвязаны и почти в равной степени зависят от состава шва.
В настоящее время рациональным и удобным методом улучшения физико-химических свойств сварных соединений из алюминия является легирование шва элементами, повышающими плотность и защитные свойства шва. Например, полезна присадка в шов титана или циркония. Наличие циркония в шве приводит к заметному измельчению зерна, что в свою очередь уменьшает склонность к образованию трещин и повышению стойкости против межкристаллитной коррозии.
Дополнительное легирование хромом повышает общую коррозионную стойкость. Введение марганца также повышает коррозионную стойкость швов, но одновременно резко увеличивает их склонность к трещинообразованию.
Рис 3.2 – Струкутра шва пересыщенная α-твердым раствором марганца и кристаллизация фазы Al6Mn
Сплавы системы Al-Mn имеют более высокие механические свойства, чем чистый или технический алюминий, и характеризуются повышенной коррозионной стойкостью (Mn – 1-1,6%). Отличительными особенностями диаграммы Al-Mn является крайне малый интервал кристаллизации, значительная протяженность горизонтального интервала кристаллизации, приводящая при неравновесных условиях кристаллизации к внутрикристаллитной ликвации, относительно высокая растворимость марганца при эвтектической температуре и снижение этой растворимости в области температур 450-550 ºС.
Структура сварного шва представлена на рис.3.2. При быстром охлаждении приходит пересыщениеα-твердого раствора марганцем и кристаллизация фазы Al6Mn. Это соединение дает с алюминием эвтектику, кристаллизующуюся при 658 ºС. При понижении температуры растворимость изменяется недостаточно резко, вследствие этого сплав не дает заметного упрочнения при термообработке.
Склонность сплава АМг6 к образованию трещин определяется содержанием кремния, входящего в эвтектику. Действие кремния связано с присутствием в металле железа. Максимальное количество трещин всегда отвечает определенному соотношению концентрации кремния и железа.
Сплавы системы Al-Mg обладают повышенной прочностью и пластичностью, хорошо свариваются и имеют повышенную коррозионную стой-кость. Структура металла шва и ОШЗ представлена на рис.3.3.
Рис. 3.3 – Структура металла шва (а) и околошовной зоны (б) сварного соединения сплава АМг6, выполненного аргонодуговой сваркой (х1250)
Согласно диаграмме состояния Al-Mg применяемые в промышленности сплавы лежат до предела растворимости и при обычной температуре структура их состоит из α-твердого раствора и выделений фазы β(Al3 Mg 2). Сплавы обладают невысокой теплостойкостью и не пригодны для работы при высоких температурах. Улучшение их свойств достигается дополнительным легированием. Для их упрочнения, измельчения зерна и повышения коррозионной стойкости обычно в сплав вводиться марганец в количестве 0,2-0,8 %, а также титан в небольших количествах.
4. Контрольные вопросы
1. Как классифицируются примеси в меди?
2. Почему кислород считается вредной примесью в меди?
3. Как влияет эвтектика на свойства металла шва меди?
4. Влияние легирующих элементов на свойства сварных соединений меди.
5. Особенности структуры и свойства сварных соединений оловянистых бронз.
6. Особенности структуры и свойства сварных соединений алюминиевых бронз.
7.Особенности строения и свойства сварных соединений двойных латуней.
8. Особенности структуры и свойства чистых алюминиевых швов.
9. Влияние легирующих элементов на свойства сварных соединений алюминия.
10.Особенности структуры сварных соединений сплавов алюминия.