Технология сварки элементов электролизера

При сварке больших толщин алюминия и его сплавов наибольшая эффективность достигается при использовании механизированной сварки плавящимся электродом в среде аргона, гелия и смесей на их основе. Положительные результаты получены и при использовании смеси аргона с кислородом.

Фирмой "ШТОРМ ИТС" совместно со специалистами отдела главного сварщика ОАО "УРАЛХИММАШ" г. Екатеринбург разработана и внедрена в производство механизированная сварка плавящимся электродом в аргонно-гелиевой смеси элементов электролизера из алюминия АД0. Сварная металлоконструкция состоит из 2-х плит размерами: 30х1500х2000мм и 65х500х1500мм.

Конструктивно электролизер представляет тавровое соединение. Вертикально расположена плита толщиной 65мм, горизонтально плита 30мм. Подготовка кромки под сварку вертикальной плиты по длине 1500мм 2-х сторонняя под углом 50° с каждой стороны. Притупление 15мм. Сварка многослойная. Количество слоев с каждой стороны шесть – семь.

Одна из возникших проблем это сварочная проволока. Отечественная промышленность поставляет данную проволоку в технологической смазке. При травлении кроме удаления этой смазки разрушается окисная пленка. Которая придает жесткость сварочной проволоке при подачи ее через направляющий канал сварочной горелки. Сварка производилась проволокой АL 99,5 Тi производства фирмы MIG Weld Германия в состоянии поставки. В качестве сварочной аппаратуры использовали сварочный п/а Phoenix 500 Exp Puls производства фирмы EWM (Германия).

Технология сварки отрабатывалась на образцах-представителях, идентичных реальному сварному соединению. При этом стремились к оптимизации параметров режима сварки и смеси газов, обеспечивающих получение качественного соединения. Выбор процентного соотношения газов смеси основывался на их физических свойствах. С одной стороны, обеспечение глубокого проплавления по оси шва (аргон), с другой стороны, возможность оптимизации ширины шва с плавным переходом к основному металлу (гелий). Большая тепловая мощность сварочной дуги, компенсирует значительный теплоотводов в основной металл, что в свою очередь обеспечивает получение качественного сварного соединения без подогрева.

Оценку качества сварного соединения производили на «поперечных» шлифах предварительно шлифованных на наждачных шкурках различной зернистости, полированном на сукне с алмазной пастой и, наконец, на чистом сукне. Шлиф подвергали травлению в 0,5%-ном водном растворе плавиковой кислоты HF. Изучение микроструктуры проводили на микроскопе "Эпитип-2". Макроструктуру исследовали после глубокого травления в том же реактиве. При исследовании макроструктуры дефектов не было обнаружено.

Структура основного металла. Основной металл представляет собой листы, подвергнутые прокатке. Структура состоит из зерен, вытянутых в направлении прокатки. Можно отметить, что лист толщиной 65мм имеет более крупное зерно (30-50мкм), чем лист толщиной 30мм (10-30мкм).

Дефекты в сварном соединении. Подробные металлографические исследования позволили установить, что в сварном шве и в околошовной зоне нет дефектов типа пор, трещин, раковин и других несплошностей. Следует отметить лишь наличие единичных включений, являющихся, по-видимому, частицами интерметаллидов, то есть соединений алюминия с металлами (рис.1)
Рис. 1 Интерметаллидное включение в металле шва х250

Рис. 2 Микроструктура околошовной зоны х250

Структура металла шва является однотипной, то есть не наблюдается заметных различий между слоями. Видны столбчатые зерна, которые представляют собой α-фазу, то есть твердый раствор Fe, Zn, Cu, Mn, Mg, Si, Ti в алюминии. Зерна α-фазы образовались при кристаллизации и последующем охлаждении расплавленного металла шва. Следует заметить, что кроме зеренной структуры выявляются также элементы дендритно-ячеистой структуры, свойственной литому состоянию. Кристаллизация металла шва происходила направленно: из-за большого градиента температур (от линии сплавления вглубь жидкого металла) выросли столбчатые кристаллы (зерна). Зерна основного металла в околошовной зоне служили подкладкой для кристаллизации расплавленного металла шва (рис.2). В металле шва вблизи линии сплавления размер зерен α-фазы составляет 20-30мкм (имеется в виду размер сечения зерна, перпендикулярный его оси). По мере наложения последующих слоев размер зерен постепенно возрастает до 30-80мкм (рис.3).

Структура околошовной зоны. Можно заметить, что из-за перегрева в околошовной зоне в непосредственной близости к линии сплавления произошла рекристаллизация основного металла, что видно по наличию в участке перегрева равноосных зерен (в целом же основной металл характеризуется вытянутостью зерен α-фазы). Однако ширина зоны рекристаллизации составляет не более 100мкм, а размер рекристаллизованных зерен составляет не более 50мкм (см. рис. 2), то есть перегрев металла в околошовной зоне был незначителен.

Характерные структурные переходы от слоя к слою. В целом структура металла шва характеризуется наличием столбчатых зерен, от слоя к слою направление оси роста зерен изменяется, угол между осью предыдущего и последующего слоя составляет от 0 до 60 град. Структура переходных зон от слоя к слою в металле шва показана на рис. 4. Видно, что направление оси роста столбчатых кристаллов от слоя к слою изменяется.

При металлографическом исследовании не было обнаружено каких-либо дефектов между слоями, а также хрупких переходных прослоек.
Рис. 3 Микроструктура шва х250

Рис. 4 Микроструктура переходных участков слоев в многослойном шве

Заключение. Сварное соединение имеет структуру, состоящую из твердого раствора легирующих элементов в алюминии. При подробном исследовании не было обнаружено дефектов (трещин, пор, раковин и т.п.). Разработанная технология сварки элементов электролизера из алюминиевых плит больших толщин плавящимся электродом в аргонно-гелиевой смеси обеспечивает требуемый уровень качества сварного соединения.