Сварка алюминия при изготовлении вакуумных камер

Технологии сварки алюминия хорошо отработаны и документированы [90, 91, 92]. Они несколько отличаются от технологий сварки коррозионностойкой стали, но не являются намного более сложными. Главная цель изготовления вакуумных камер заключается в том, чтобы получить сварные швы, свободные от пористости и трещин, которые могут вызывать пути натекания или фактические течи. Соображения для конструкционных видов применения, в частности прочность, цвет и коррозионная стойкость, имеют вторичное значение. Сварку алюминия не следует рассматривать в качестве искусства, поскольку механизмы, влияющие на качество сварки, следуют хорошо понимаемым принципам.

Предотвращение пористости и дефектов

Водород является главной причиной пористости в сварных швах. Значительно большее количество его может растворяться в расплавленном металле, чем может оставаться растворенным, когда металл охлаждается и отвердевает. По мере выделения водорода из раствора он образует пустоты, соединяющиеся между собой и образующие пути течи. Коэффициент растворимости водорода в расплавленном/твердом металле для алюминия в 36 раз выше, чем у железа. В результате этого сварные швы алюминия становятся значительно более чувствительными к этому источнику пористости, чем сварочные швы коррозионностойкой стали [93]. Главными источниками водорода являются влага, углеводороды и гидроксиды на поверхности и в окружающей атмосфере. К счастью, относительно простые и практические меры способны сократить эти воздействия в достаточной степени для того, чтобы получить хорошие сварочные швы для сверхвысокого вакуума.

Постоянно следует надевать перчатки, так как кожные выделения вызывают значительное загрязнение. Масла и отпечатки пальцев можно удалять с обрабатываемой детали и присадочного прутка этанолом или ацетоном.

Оксиды захватывают влагу (главный источник водорода) и имеют высокие температуры плавления, вызывающие неполное расплавление. Они быстро разрастаются на открытых поверхностях алюминия и должны быть удалены в течение 4 ч после сварки. Поверхности на расстоянии 1 см от стыка должны шабриться инструментом с твердой кромкой [94]. Проволочные щетки могут вызвать попадание загрязнений в мягкую поверхность, и их применения следует избегать. Поскольку присадочный пруток представляет собой большую часть металла в стыке, он является основным источником потенциального загрязнения и достоин специального ухода при закупке, упаковке, хранении и транспортировке - в особенности, в виде проволоки. Присадочный пруток можно зачищать несколькими проходами Скоч-Брайт® непосредственно до сварки.

Защитный газ должен иметь сверхвысокую чистоту (99,999%) и пропускаться с целью промывки через наконечник в течение 20 секунд до инициации дуги для того, чтобы обеспечить содержание влаги ниже 10 частей на миллион (желательно менее 3 частей на миллион) [95]. Относительная влажность в зоне сварки должна быть меньше 75% и желательно составлять менее 50%, для чего может потребоваться работать в кондиционированным помещении. Быстрая скорость сварки, как было доказано, уменьшает пористость [96]. Необходимо приложить усилия к тому, чтобы обеспечить отсутствие утечек в линиях инертного газа, так как такие течи могут быть непреднамеренным источником скопления влаги.

Где только возможно, следует использовать дуговую сварку вольфрамовым электродом переменного тока в аргоне, поскольку в течение положительных полуциклов этой сварки защитный газ ионизируется и ускоряется в направлении обрабатываемой детали, обеспечивая очищающее действие посредством распыления-травления, благодаря которому удаляется остаточное загрязнение.

Предотвращение дефектов в виде трещин

Трещины обычно появляются, когда сплав затвердевает в рамках широкого температурного диапазона (диапазон затвердевания). Пока стык охлаждается в этом диапазоне, валик металла имеет кашеобразный вид и легко ломается под действием небольших термических напряжений. Этот процесс частично облегчается тем, что сплавы содержат некоторую степень эвтектики, которая продолжает течь при низкотемпературном пределе диапазона затвердевания и имеет тенденцию заполнять трещины. Они затем затвердевают без трещин на протяжении узкого температурного диапазона [97].

К несчастью, составы сплава, обеспечивающие хорошие структурные свойства, часто также обладают широкими диапазонами затвердевания.

растрескивание алюминия

Рис. 13. Зависимость появления трещин алюминия от содержания различных легирующих элементов (источник: J. D. Dudasand F. R/ Collins, Preventing Weld Crack in High-Strenght Aluminum Alloys, Welding Journal, 1966)

Чувствительность трещин сварки при соединении материалов можно значительно уменьшить подбором присадочных сплавов, являющихся менее подверженными растрескиванию (т. е. с более узким диапазоном затвердевания и/или высоким содержанием эвтектики) даже при частичном разбавлении базовым металлическим сплавом. Большинство трещин возникает рядом с центром валика, который охлаждается последним. К счастью, эта зона является наименее разбавленной базовым металлом. На рис. 13 показано воздействие различных составов сплава на чувствительность трещин. Следует отметить, что у сплавов AlMg2Si (серия 6000) сопротивление образованию трещин усиливается за счет увеличения либо содержания Mg, либо Si. Необходимо избегать присадочных материалов, затвердевающих при значительно более высоких температурах, чем базовый металл, поскольку силы температурного расширения будут вызывать растрескивание на расплавленной кромке валика (98]. Рекомендуемые присадочные материалы для различных алюминиевых сплавов приведены в табл. 7. Требуется избегать сочетаний, для которых присадочный материал не указывается.

Ряд других технологий помогает минимизировать трещины. Предпочтение отдается соединениям с угловым швом и соединениям с V-образной канавкой, поскольку они позволяют максимально заполнить соединение присадочным материалом, нечувствительным к трещинам, и минимизировать его разбавление чувствительным к трещинам базовым металлом. Валик сварного шва должен быть немного выпуклым, чтобы облегчать доступ расплавленного металла для заживления возникающих трещин. Если валику дается возможность принять плоское или выпуклое состояние, поверхностное натяжение может помешать потоку. Это может быть осуществлено путем наклона электрода на 10-20° и использования силы дуги для «установки преграды» расплавленному валику [99]. Следует препятствовать образованию кратера при завершении шва при помощи любой из ряда сложившихся технологий. В особо проблематичных швах с той и с другой стороны соединения могут вырезаться канавки (рис. 14). Эти канавки уменьшают растечки тепла от валика и минимизируют тепловое расширение остальной части конструкции. Они также отпускают напряжения, уменьшая жесткость и допуская некоторое механическое отклонение.

Конструкция сварных соединений

Кроме ряда специальных соображений, конструкция сварных соединений алюминиевых деталей в основном такая же, как для коррозионностойкой стали (рис. 14). Простые, квадратные стыковые сварные швы (касающиеся) подходят для толщины листа приблизительно до 6 мм (0,25 дюйма) и являются особенно желательными, потому что они легко зачищаются шабрением. В более толстых стыках должны использоваться V-образные канавки (60-90°) или угловые сварные швы для обеспечения проникновения дуги и минимизации разбавления присадочного металла базовым металлом. Зазор между свариваемыми кромками 3 мм (1/8 дюйма), 1,5-2 мм от дна способствует обеспечению полного проникновения теплоты (провариваемо- сти). Желательно, чтобы обе стороны стыка были обработаны на станке до одной и той же толщины для уравновешенного нагревания, благодаря чему минимизируется напряжение и искажение. Примеры стыков между горловиной с тонким фланцем и толстой стенкой камеры показаны на рис. 15. Прихваточные швы можно сделать после сборки и фиксации стыка. Они являются существенными для предотвращения искажений, которые создаются во время сварки от закрытия зазора в вершине разделки между свариваемыми кромками (когда она используется) до того, как шов будет завершен. Размер прихваточного шва может быть выбран в соответствии с предпочтением оператора, поскольку во время окончательного шва они должны быть полностью переплавлены и включены в шов [1001. Швы могут пересекаться крест- накрест, поскольку это не влияет на металлургическую прочность в алюминии, как это имеет место в других металлах [101].

виды сварных швов

Рис. 14. Виды сварных швов

конструкция швов

Рис. 15. Рекомендуемая конструкция сварных соединений для алюминиевых фланцев

По ту и другую сторону стыка, где на состояние термообработки оказывается влияние и прочность уменьшается перманентно, имеет место «находящаяся под влиянием теплоты зона» величиной приблизительно 25 мм. Это важно при сварке сильно закаленных фланцев, но может ослабляться путем использования отвода тепла на поверхности фланца (в частности на таком, как сопрягаемый фланец) для поддержания температуры на низком уровне. Если сварочный шов требуется с обеих сторон стыка по структурным соображениям, одна сторона должна свариваться только короткими участками вразброс для того, чтобы предотвратить захват газа, который вызывает фактические течи. После сварки усадка будет приблизительно в два раза больше усадки коррозионностойкой стали (приблизительно 6% ширины шва). Это может вызвать искажение и должно учитываться сваркой элементов в одно целое в симметрическую последовательность и механической обработкой после сварки, если требуются строгие допуски по размерам.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.