Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона)
Кратко освещены основные направления исследований, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона за полстолетия в области сварки алюминиевых сплавов. Приведены примеры эффективного применения технологий дуговой сварки алюминиевых сплавов при сооружении различных конструкций....
Gespeichert in:
| Datum: | 2007 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102070 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) / А.Я. Ищенко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 10-13. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102070 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1020702016-06-11T03:01:55Z Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) Ищенко, А.Я. Научно-технический раздел Кратко освещены основные направления исследований, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона за полстолетия в области сварки алюминиевых сплавов. Приведены примеры эффективного применения технологий дуговой сварки алюминиевых сплавов при сооружении различных конструкций. The main directions of investigations conducted at the E. O. Paton Electric Welding Institute over half a century in the field of arc welding of aluminium alloys are outlined. Examples of an effective application of technologies of arc welding of aluminium alloys in fabrication of various structures are given. 2007 Article Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) / А.Я. Ищенко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 10-13. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102070 621.791:62-112.81 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Ищенко, А.Я. Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) Автоматическая сварка |
| description |
Кратко освещены основные направления исследований, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона за полстолетия в области сварки алюминиевых сплавов. Приведены примеры эффективного применения технологий дуговой сварки алюминиевых сплавов при сооружении различных конструкций. |
| format |
Article |
| author |
Ищенко, А.Я. |
| author_facet |
Ищенко, А.Я. |
| author_sort |
Ищенко, А.Я. |
| title |
Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) |
| title_short |
Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) |
| title_full |
Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) |
| title_fullStr |
Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) |
| title_full_unstemmed |
Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) |
| title_sort |
сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в иэс им. е. о. патона) |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102070 |
| citation_txt |
Сварка алюминиевых сплавов (направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона) / А.Я. Ищенко // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 10-13. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT iŝenkoaâ svarkaalûminievyhsplavovnapravleniâissledovanijprovodimyhviésimeopatona |
| first_indexed |
2025-07-07T11:47:11Z |
| last_indexed |
2025-07-07T11:47:11Z |
| _version_ |
1836988584447442944 |
| fulltext |
УДК 621.791:62-112.81
СВАРКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
(направления исследований, проводимых в ИЭС им. Е. О. Патона)
Чл.-кор. НАН Украины А. Я. ИЩЕНКО (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Кратко освещены основные направления исследований, проведенных в ИЭС им. Е. О. Патона за полстолетия в
области сварки алюминиевых сплавов. Приведены примеры эффективного применения технологий дуговой сварки
алюминиевых сплавов при сооружении различных конструкций.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, автоматическая
сварка по флюсу, сварка неплавящимся электродом, пере-
менный ток, высокоамперная дуга, асимметричный разно-
мерный ток, сварка плавящимся электродом, импульс-
но-дуговая сварка, узкощелевая сварка, алюминиевые спла-
вы, микролегирование скандием
Как и в других развитых странах, в Украине пред-
полагается увеличение объемов выпуска алюми-
ния и его высокопрочных сплавов в виде дефор-
мированных полуфабрикатов, необходимых для
производства железнодорожных пассажирских
вагонов, легковых и грузовых автомобилей, ав-
тобусов, самолетов, изделий ракетно-космической
отрасли, химической, медицинской и пищевой
промышленности, а также в строительстве.
Значительные трудности, возникающие при
сварке плавлением алюминиевых сплавов, связа-
ны с большой химической активностью компо-
нентов, которые входят в состав сплавов. Взаи-
модействие с кислородом и склонность к погло-
щению водорода приводят к возникновению в
швах грубых оксидных пленок и пористости. На-
иболее прочные сплавы склонны к образованию
горячих трещин и разупрочнению при сварке
плавлением. Эти особенности резко проявляются
при использовании новых высокоресурсных алю-
миниево-литиевых сплавов, которые, благодаря
низкой плотности и повышенному модулю жес-
ткости, позволяют на 10…15 % уменьшить массу
конструкций и соответственно повысить грузов-
местимость пассажирских и транспортных само-
летов, других транспортных средств.
Научные исследования и инженерные разра-
ботки в области дуговой сварки алюминия и его
сплавов были начаты в Институте электросварки
им. Е. О. Патона НАН Украины в 1951 г. в ла-
боратории сварки цветных металлов и сплавов,
перед которой была поставлена задача в сжатые
сроки организовать поточное производство цис-
терн из сплава АМц толщиной 18…20 мм для пе-
ревозки и хранения жидкого кислорода и других
химических продуктов, используемых для запуска
ракет. Попытки использовать на заводе сварку в
инертных газах не дали положительных резуль-
татов, так как соединение толстолистового ме-
талла приходилось выполнять с разделкой кромок
за несколько проходов.
При этом необходимы были тщательная под-
готовка поверхности свариваемых кромок и про-
волоки, использование аргона, иногда и гелия.
Кроме того, оборудование для сварки в тот период
было несовершенным.
Задача была решена путем разработки и внед-
рения в массовое производство автоматической
сварки по флюсу марки АН-А1. Эта технология
являлась ведущей при массовом производстве ем-
костей от 1 до 100 м3 на заводах «Большевик»
(г. Киев), «Красный Октябрь» (г. Фастов), Сум-
ском машиностроительном и ряде других пред-
приятий, котлов железнодорожных цистерн на
Мариупольском ПО «Азовмаш». Котлы и емкости
предназначались для хранения и транспортировки
пищевых и химических продуктов — воды, мо-
лока, азотной кислоты, ракетного топлива и др.
В 1960–1970-х годах началось активное при-
менение алюминиевых сплавов повышенной
прочности в производстве ракетно-космической
техники, судо-, танко- и вагоностроении, хими-
ческой промышленности, строительстве и других
отраслях. Сварка по флюсу таких объектов не
обеспечивала требуемого качества швов и необ-
ходимые свойства соединений. При сварке ме-
талла толщиной свыше 15 мм увеличивалась опас-
ность образования шлаковых включений и пор
в швах, а также возрастали требования к соблю-
дению санитарно-гигиенических условий труда.
Указанные обстоятельства обусловили интенсив-
ную разработку более эффективных способов и
технологий сварки в инертных газах и электрон-
ным лучом. Работы в этом направлении велись
параллельно, что позволило гибко выбирать раз-
личные варианты технологии в зависимости от
требований к изделиям, условиям производства
и эксплуатации.
Среди способов сварки в инертных газах алю-
миниевых сплавов в начале 1960-х годов ведущее
положение занимала аргонодуговая сварка неп-
© А. Я. Ищенко, 2007
10 11/2007
лавящимся электродом переменным током сину-
соидальной формы, которая обеспечивала более
высокие качество металла шва и механические
свойства соединений по сравнению со сваркой
плавящимся электродом в аргоне. Что касается
проплавляющей способности дуги, то она огра-
ничивалась недостаточной стойкостью электро-
дов из наиболее стойкого в то время торирован-
ного вольфрама. Поэтому были созданы вольфра-
мовые электроды с присадкой до 1,5…2 % оксида
лантана (ЭВЛ) и с 3,0…3,5 % оксида иттрия
(ЭВИ). В отличие от торированных они являются
радиационно безопасными.
Иттрированные электроды позволили увели-
чить плотность мощности столба дуги в 1,5…2,0
раза без опасного перегрева электродов, добиться
существенного повышения эффективности плав-
ления свариваемого металла. С помощью иттри-
рованных электродов диаметром 10 мм появилась
возможность сваривать за один проход однофаз-
ной высокоамперной дугой (до 900…1000 А) алю-
миниевые сплавы толщиной до 20 мм, а трехфаз-
ной дугой — 30…40 мм. Разработанное при этом
соответствующее сварочное оборудование спо-
собствовало расширению области использования
сварки неплавящимся электродом. Уже к середине
1960-х годов технология автоматической сварки
высокоамперной дугой корпусных изделий ракет-
носителей из сплава АМг6 осваивается на пред-
приятиях, конструкторских бюро С. П. Королева,
В. П. Челомея, М. К. Янгеля.
Промышленный опыт изготовления конструк-
ций ответственного назначения из сплава АМг6
показал, что, несмотря на строгое соблюдение тре-
бований к подготовке металла и технологии свар-
ки неплавящимся электродом, в швах встречались
недопустимые включения оксидной плены. Идея
интенсификации перемешивания металла свароч-
ной ванны с целью измельчения оксидных вклю-
чений и одновременно его дегазации была реа-
лизована при сварке неплавящимся электродом
пульсирующей дугой. Дальнейшие исследования
позволили установить эффективность способа и
создать специализированное оборудование. При
этом удалось уменьшить в 3 раза относительную
протяженность включений оксидной плены в
сварных швах сплава АМг6 и вероятность обра-
зования ее протяженных включений при сварке
литийсодержащих сплавов 1420 и 1460. Резкие
изменения амплитуды в период импульса и паузы
(модулированный ток) обеспечили снижение в
7…10 раз суммарного объема пустот в сварных
соединениях сплавов.
В то же время была установлена более высокая
эффективность применения асимметричного раз-
нополярного тока прямоугольной формы для ду-
говой и плазменной сварки. Благодаря сокраще-
нию времени протекания тока обратной поляр-
ности до 10…30 % общего цикла снижается наг-
рузка на вольфрамовый электрод, а в периоды
прямой полярности достигается более глубокое
проплавление основного металла. В результате
была повышена скорость сварки, снижен пока-
затель погонной энергии, уменьшена масса и га-
бариты плазмотрона.
Исследования физических явлений, происхо-
дящих в дуге, позволили достичь более высокой
концентрации тепловой энергии при гелиево-ду-
говой сварке постоянным током по сравнению со
сваркой вольфрамовым электродом переменным
током в аргоне. Это способствовало повышению
проплавляющей способности дуги, снижению в
1,5…2,0 раза погонной энергии и соответственно
уменьшению зоны термического влияния.
В дальнейшем было показано, что дуговой спо-
соб сварки плавящимся электродом по сравнению
со сваркой неплавящимся электродом оказался
менее чувствительным к размерам зазора и пре-
вышению толщин соединяемого металла, обеспе-
чил более высокую скорость сварки и меньший
уровень остаточных деформаций сварных узлов.
Однако нестабильное качество швов, получаемых
при сварке стационарной дугой в аргоне, огра-
ничивало применение ее в производстве ответс-
твенных конструкций. Разработанные в ИЭС
им. Е. О. Патона новые способы сварки и обо-
рудование для импульсно-дуговой сварки плавя-
щимся электродом явились значительным дости-
жением в области сварки плавлением. Техноло-
гические исследования процесса сварки с исполь-
зованием генераторов импульсного тока позволи-
ли повысить стабильность горения дуги, значи-
тельно уменьшить разбрызгивание металла и ис-
парение легколетучих элементов, снизить коли-
чество и размеры оксидных включений и пор в
швах.
Благодаря этому со середины 1960-х годов им-
пульсно-дуговая сверка плавящимся электродом
находит все более широкое применение в про-
мышленности, в частности, при изготовлении
компонентов ракетно-космических комплексов на
предприятиях НПО «Энергия», корпусов легких
десантируемых бронемашин на Волгоградском за-
воде и бронемашин пехоты на Курганском ма-
шиностроительном заводе, пассажирских желез-
нодорожных вагонов и вагонов метро, самосваль-
ных платформ автомобилей, автомобильных реф-
рижераторов, надстроек судов, строительных кон-
струкций и других изделий.
Высокие требования, предъявляемые к свар-
ным соединениям емкостей из сплава АМцС и
технического алюминия для хранения и перевозки
агрессивных продуктов, потребовали разработки
в ИЭС им. Е. О. Патона высокопроизводительной
технологии сварки плавящимся электродом боль-
шого диаметра (3…4 мм) стационарной дугой в
11/2007 11
смеси инертных газов — гелия и аргона. Исполь-
зование этих смесей позволило не только умень-
шить в 2…8 раз объем микропустот в наплав-
ленном металле, повысить механические свойства
и коррозионную стойкость сварных соединений,
но и увеличить на 40…60 % производительность
процесса сварки. Такая технология была успешно
реализована при изготовлении емкостей на Ба-
лашихинском ПО «Криогенмаш», в поточном
производстве алюминиевых котлов железнодо-
рожных цистерн на ПО «Азовмаш».
Использование импульсно-дуговой сварки
плавящимся электродом диаметром 1…1,6 мм в
смесях газов гелия и аргона позволило получить
более высокий уровень механических свойств
тонколистовых соединений алюминиево-литие-
вых сплавов по сравнению со сваркой неплавя-
щимся электродом пульсирующим током. Про-
цесс нашел широкое применение в производстве
шпангоутов ракет и корпусов боевых машин пе-
хоты на Курганском машиностроительном заводе.
Для сварки плавящимся электродом в ИЭС им.
Е. О. Патона разработано семь типов сварочных
установок, тракторов, автоматов.
Для соединения толстостенных конструкций
(до 150 мм) разработана технология узкощелевой
сварки импульсной и стационарной дугой плавя-
щимся электродом в гелии и его смесях с аргоном.
Способ позволил получить доброкачественные
соединения в нижнем положении и на вертикаль-
ной плоскости, а также сократить в несколько раз
количество сварочных проходов, уменьшить зону
термического влияния и уровень остаточных де-
формаций, сэкономить сварочные материалы и
электроэнергию.
Отмеченные преимущества новых технологий
также привели к широкому внедрению их в про-
изводство изделий аэрокосмической техники из
алюминиевых сплавов АМг6, 1201, 1420, в том
числе комплекса «Энергия-Буран», ракет-носите-
лей и космической орбитальной техники.
Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) отличается
уникальным сочетанием особенностей: высокой
плотностью энергии в пучке малого диаметра, на-
дежной защитой зоны сварки и рафинирующим
воздействием вакуумной среды, возможностью
достижения очень высоких скоростей кристалли-
зации жидкого металла. С применением ЭЛС из-
готавливаются самые ответственные и высоконаг-
руженные детали и узлы, работающие в условиях
космического вакуума, знакопеременных нагру-
зок и весьма низких температур. В промышлен-
ных условиях освоена ЭЛС разнообразных дета-
лей и узлов: от миниатюрных до крупногабарит-
ных, толщиной от десятых долей миллиметра до
200 мм. В отдельных случаях реализована сварка
заготовок толщиной до 400…600 мм. Для осу-
ществления ЭЛС созданы установки, объем ваку-
умных камер которых составляет от нескольких
кубических дециметров до 1500 м3. При сварке
крупногабаритных конструкций суммарная протя-
женность сварных швов достигает 100…150 м.
Расширению внедрения этого способа сварки
способствует создание установок, позволяющих
работать в условиях локального или низкого ваку-
ума. Разработано автоматическое управление про-
цессом сварки, позволяющее получать высокока-
чественные сварные соединения. Для достижения
этого используют также систему программирова-
ния тепловложения для различных участков
объема сварочной ванны. Использование скани-
рования пучка и программированного тепловло-
жения в сочетании с подачей присадочной про-
волоки позволяют снизить требования к точности
сборки стыка без потери качества формирования
швов при зазорах до 3,0 мм (толщина заготовок
50…100 мм).
Хорошие результаты обеспечивает ЭЛС при
изготовлении стрингерных панелей из тонколис-
тового материала. Приварка ребер к оболочке тол-
щиной 2…3 мм выполняется двумя угловыми
швами, одним угловым швом с одной стороны
или прорезным швом. Во всех случаях швы можно
сформировать без применения присадки.
Лазерная сварка позволяет получить подобные
тонкостенные конструкции без использования
вакуумируемых камер. При этом открывается воз-
можность сваривать любые крупногабаритные
конструкции. Способ сварки характеризуется вы-
сокой удельной плотностью энергии и позволяет
вести сварку с большой скоростью, но с малым
тепловложением. Это способствует снижению
уровня остаточных деформаций и напряжений в
изделиях, а также повышению прочности сварных
соединений на 10…15 % по сравнению с арго-
нодуговой сваркой. Уверенность в более широком
применении этого способа сварки основана как
на результатах интенсивного освоения техники и
технологии сварки этим способом, так и на ус-
пешном комплексном использовании процессов
лазерной и дуговой сварки. Такие гибридные тех-
нологии позволяют объединить преимущества
двух разных способов сварки в одном, что делает
его более эффективным и экономичным.
Альтернативным по отношению к перечислен-
ным, наиболее широкоиспользуемым способам
сварки плавлением, следует считать соединение
в твердом состоянии без расплавления основного
материала, например, способом трения с переме-
шиванием. Использование такой технологии со-
единения позволяет исключить перегрев сплавов
и вместе с тем обеспечивает пластическую де-
формацию металла шва. Это благоприятно отра-
жается на уровне механических свойств соеди-
нений и исключает некоторые рассмотренные
12 11/2007
проблемы сварки плавлением высокопрочных
алюминиевых сплавов.
Разработка ВИАМом высокопрочных алюми-
ниевых сплавов различных систем легирования
(Al–Mg, Al-Cu, Al–Zn–Mg–Cu) и особенно нового
класса сверхлегких алюминиево-литиевых спла-
вов, которыми занимался академик И. Н. Фрид-
ляндер с сотрудниками, послужила фундаментом
многолетнего творческого контакта между ИЭС
им. Е. О. Патона и ВИАМ. Следствием такого
содружества явилось успешное решение проблем
свариваемости и внедрение новых материалов в
производство авиационной, ракетной и космичес-
кой техники. Эффективность сварных конструк-
ций, например, топливного бака и кабины пилота
из алюминиево-литиевого сплава типа 1420, под-
тверждена созданием и многолетней эксплуата-
цией сверхзвуковых истребителей серии МиГ-29.
В 1990-е годы совместно с ВИАМом и ВИЛСом,
его руководителями академиком А. Ф. Беловым и
чл.-кором РАН В. И. Добаткиным были выполнены
важнейшие исследования, направленные на улуч-
шение характеристик перспективных легких спла-
вов. Созданы также специальные сварочные мате-
риалы (присадки) на основе Al–Mg и Al–Cu сплавов,
которые содержат до 0,5 % скандия. Благодаря это-
му целый ряд высокопрочных трудносвариваемых
сплавов стал удовлетворительно соединяться, а
прочность швов возросла на 10…15 %. Более зна-
чительный эффект получен при легировании скан-
дием не только присадок, но и основного металла
полуфабрикатов на уровне 0,1…0,2 %.
В настоящее время под руководством Б. Е. Па-
тона учеными и специалистами института выпол-
няются фундаментальные исследования в области
сварки легких металлов и сплавов по следующим
направлениям:
• изучение явлений, происходящих в зоне свар-
ки при взаимодействии компонентов легких спла-
вов и композиционных материалов с плазмой ду-
ги, электронным и лазерным пучками, обоснова-
ние условий доброкачественного формирования
сварных соединений;
• определение характеристик свариваемости
новых алюминиевых сплавов различных систем
легирования и поиск способов преодоления
склонности их к образованию горячих трещин и
пористости при сварке плавлением и в твердой
фазе;
• изыскание методов соединения разнородных
материалов;
• исследование закономерностей первичной
кристаллизации и механизмы формирования
структуры швов в неравновесных условиях при
больших скоростях охлаждения, прерывистых и
импульсных подачах энергии, а также под вли-
янием микродобавок различных модификаторов
структуры;
• исследование микроструктурных превраще-
ний в зоне сварки алюминиевых сплавов и их
влияние на физико-механические свойства свар-
ных соединений алюминиевых сплавов различных
систем легирования;
• определение влияния эксплуатационных фак-
торов, а именно температуры в широком диапа-
зоне от 4 до 60 К, агрессивных сред, характера
напряженного состояния, наличия концентрато-
ров напряжения, химической и физической не-
однородности сварных соединений, на работос-
пособность и долговечность конструкций из лег-
ких сплавов;
• разработка новых технологий неразъемного
соединения перспективных конструкционных ма-
териалов на основе алюминия, включая диспер-
сные алюмокомпозиты, интерметаллиды и разно-
родные материалы, которые трудно соединяются
при обычных способах сварки плавлением;
• обоснование критериев надежной эксплуа-
тации сварных конструкций ответственного наз-
начения в различных условиях с учетом их струк-
турной и химической неоднородности.
Значительным достижением начавшегося тре-
тьего тысячелетия являются разработки наност-
руктурных материалов с исключительно высоки-
ми свойствами и нанотехнологий неразъемного
соединения в твердой фазе трудносвариваемых
материалов таких, как интерметаллиды. Они пос-
троены на базе алюминия, титана, никеля и на-
нодисперсных композиционных систем. Для этого
создан новый класс эффективных наноструктур-
ных материалов в форме многослойных плен и
тонких фольг, получаемых с использованием
электроннолучевой парофазной технологии и дру-
гих методов тонкого диспергирования.
The main directions of investigations conducted at the E. O. Paton Electric Welding Institute over half a century in the
field of arc welding of aluminium alloys are outlined. Examples of an effective application of technologies of arc welding
of aluminium alloys in fabrication of various structures are given.
Поступила в редакцию 18.08.2007
11/2007 13
|