Магний - один из наиболее активных по отношению к кислороду металлов. В результате его окисления образуется оксид MgO, покрываюший поверхность металла пленкой, температура плавления оксида магния 2800 °С, плотность 3,65 г/см3.
В связи с высокой температурой плавления оксидная пленка на поверхности магниевых сплавов так же, как и при сварке алюминия, затрудняет образование общей сварочной ванны и должна быть разрушена или удалена в процессе сварки. Оксидная пленка па магниевых сплавах имеет плохие защитные свойства и способна удерживать большое количество влаги.
Помимо кислорода в атмосфере, окружающей ванну, могут присутствовать СО, СО2, пары воды, азот и водород. Магний реагирует со всеми этими газами, образуя карбиды, нитриды и оксиды.
При температуре 600—700 °С и выше магний взаимодействует с азотом, образуя нитрид Mg3N2. Нитриды не только служат очагами коррозии, но и оказывают неблагоприятное влияние на механические свойства сплавов.
В отличие от других газов водород обладает способностью растворяться в магнии. При температуре плавления и рН2 = 100 кПа растворимость водорода в жидком магнии достигает примерно 50 см3/100 г и довольно резко снижается при кристаллизации (рис. 10.1).
 |
Рис. 10.1. Изменение растворимости водорода в магнии при рН2 = 100 кПа В связи с понижением растворимости водорода в жидком металле при охлаждении имеется возможность выделения водорода в виде пузырьков и образование пористости. В случае сварки при нормальном внешнем давлении критическая концентрация водорода, способная привести к образованию пористости, [Н ]р ≥ 50 см3/100 г. При наличии в сплавах сильных гидрообразова-телей, например циркония, критическая концентрация водорода в жидком металле, способная привести к пористости, возрастает. |
При сварке сплава МА2-1 (не содержащего циркония и других гидрообразователей) толщиной 2 мм с погонной энергией 389,1 кДж/м пористость в швах появляется при содержании в аргоне 0,84 % Н2 (по объему); при уменьшении погонной энергии до 242,6 кДж/м — при 1,2 % Н2. При сварке пластин той же толщины из сплава ВМД-3, содержащего 0,5—0,9 % Zr с погонной энергией 389,1 кДж/м, пористость обнаруживается при содержании водорода в аргоне 2,44 % (по объему), а при уменьшении погонной энергии до 246,8 кДж/м — при 3,905 % Н2. Аналогичная закономерность наблюдается и при искусственном увлажнении аргона.
Полученные значения критической концентрации влаги и водорода в атмосфере защитного газа, способные вызвать пористость при сварке магниевых сплавов, велики и для реальных условий практически маловероятны.
При сварке в увлажненном аргоне и аргоне с добавками водорода в металле швов образуется своеобразная пористость в виде елочек в связи с бурным выделением водорода из жидкого и кристаллизующегося металла, при котором развивающиеся пузырьки «обжимаются» растущими с большой скоростью дендритами.
Основная реальная причина появления пор при сварке магниевых сплавов — выделение водорода, образующегося при разложении остатков влаги, содержащейся в частицах оксидной пленки, замешанных в ванну при расплавлении основного и 174 присадочного металлов. При таком механизме образования пор (характерном для сплава АМг6) водород выделяется в молекулярной форме, минуя стадию растворения. Количество несплошностей, образующихся при охлаждении, зависит от количества частиц оксидной пленки, замешиваемых в ванну в процессе сварки, и от запаса имеющейся влаги в оксидной пленке.
В качестве основных мер борьбы с пористостью при сварке магниевых сплавов могут быть рекомендованы меры, направленные на уменьшение количества частиц оксидной пленки, замешиваемых в ванну (уменьшение поверхности основного и присадочного металлов, участвующих в образовании шва), а также применение рациональной обработки поверхности проволоки и кромок свариваемых изделий.
При кристаллизации чистого магния в металле швов образуется грубая крупнокристаллическая структура. Эта тенденция сохраняется и при кристаллизации многих сплавов и в первую очередь сплавов, не содержащих модификаторов.
Большинство элементов обладает ограниченной растворимостью в магнии и образует с магнием системы с эвтектикой. При скорости охлаждения 50—100 °С/мин неравновесные эвтектики в двойных сплавах Mg—Al и Mg—Zn появляются при содержании 0,1 % А1 и 0,3 % Zn, в то время как в равновесных условиях эвтектика в этих сплавах возникает соответственно при 12,4 и 8,7 %. Появление эвтектики по границам зерен в виде тонких сплошных прослоек часто приводит к образованию горячих трещин.
Повышение сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин во многих случаях достигается введением в их состав модификаторов. Важным средством металлургического воздействия с целью предупреждения горячих трещин служит ограничение в сплавах примесей, способствующих выделению эвтектик.
С целью предотвращения образования горячих трещин в некоторые сплавы вводят добавки редкоземельных элементов, и в частности лантана, в количествах 0,5—1 %. Благоприятное действие лантана объясняется повышением пластичности сплавов в интервале твердо-жидкого состояния.
На склонность к образованию горячих трещин большое влияние оказывает интервал кристаллизации сплава, который, как правило, зависит от содержания основных легирующих элементов. Уточнение их содержания в сплаве в пределах марки иногда позволяет заметно сократить ТИХ и повысить стойкость к образованию горячих трещин.
Большинство магниевых сплавов обладает склонностью к росту зерна при нагреве. При сварке многих магниевых сплавов, особенно не содержащих модификаторов в околошовных зонах, наблюдается заметный рост зерна.
При сварке магниевых сплавов, упрочняемых термообработкой, наряду с ростом зерна в околошовных зонах возможен распад твердого раствора и оплавление границ зерен. Эти процессы приводят к существенному разупрочнению металла околошовной зоны (до 0,7—0,9 прочности основного металла) и иногда к образованию трещин. Степень разупрочнения металла в околошовной зоне зависит от принятого термического цикла сварки и состава свариваемого металла.
В связи с высоким коэффициентом температурного расширения магниевых сплавов при местном нагреве, характерном для сварки, в соединениях возникают значительные напряжения, вызывающие коробление конструкций. При сварке с жестким закреплением соединяемых элементов вследствие этих причин возможно образование трещин. Для предупреждения трещин и уменьшения коробления в некоторых случаях рекомендуется сварка конструкций с подогревом, а иногда и последующая их термообработка для снятия напряжений.
