Технология сварки алюминия и его сплавов. Катодное распыление

Алюминий и его сплавы

Общие сведения. Алюминий является одним из наиболее распространенных элементов в природе; он обладает малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах и стойкостью против перехода в хрупкое состояние при низких температурах. Плотность алюминия 2,7 г/см ³. Температура плавления 660° С. Алюминий имеет большое сродство к кислороду, поэтому всегда покрыт плотной пленкой окиси алюминия — Al₂O₃, температура плавления которой 2050°С. Тугоплавкая пленка окиси и возможность образования пор и кристаллизационных трещин в металле шва — основные трудности при сварке алюминия.
Пленка окиси алюминия препятствует сплавлению металла сварочной ванны с основным металлом, ее удаление при сварке алюминия металлическими электродами достигается воздействием на нее составляющих флюса или покрытия электрода, а при аргоно-дуговой сварке — в результате катодного распыления. При сварке постоянным током обратной полярности «очищающее» действие тока происходит на протяжении всего периода горения дуги, а при сварке переменным током лишь в те полупериоды, когда изделие является катодом.
Причиной образования пор в сварных швах является водород, который в связи с резким изменением растворимости при переходе алюминия из жидкого состояния в твердое, стремится выйти в атмосферу. Кристаллизационные трещины в сварных швах чистого алюминия возникают из-за повышенного содержания кремния и уменьшаются с введением в алюминий добавок железа.
Ручная сварка угольным электродом. Сварку угольным электродом применяют при толщине металла от 1,5 до 20 мм и при заварке дефектов литья из алюминия и его сплавов. Металл толщиной до 2 мм сваривают беэ разделки кромок и присадочной проволоки. Для предупреждения попадания окисной пленки алюминия в металл шва применяют флюс АФ-4А.
Ручная дуговая сварка металлическим электродом. Для сварки и наплавки деталей и конструкций из чистого алюминия А6, АД0, АД1 и АД применяют электроды ОЗА-1 и АФ-4аКР. Сварку ведут постоянным током обратной полярности при предварительном подогреве свариваемых листов: при толщине 6 — 8 мм до 200° С, при толщине 8 — 16 мм до 350 — 400° С.
Электроды перед сваркой просушивают при температуре 150 — 200° С в течение 2 ч. Кромки разделывают при толщине металла более 20 мм. Сварку выполняют при зазоре между листами 0,5 — 1 мм с двух сторон. Для сварки алюминиевомарганцевого сплава типа АМц и устранения дефектных мест в литье сплава АЛ-9 предназначены электроды А-2. Сварка выполняется при предварительном подогреве до 300 — 400° С (АМц) и 280 — 300° С (АЛ-9) постоянным током обратной полярности короткой дугой. Для сварки сплавов АЛ-2, АЛ-4, АЛ-5, АЛ-9 и АЛ-11 предназначены электроды ОЗА-2. Сварку выполняют короткой дугой постоянным током обратной полярности при подогреве места сварки до 250 — 400° С.
Ручная аргоно-дуговая сварка. Для сварки применяют аргон марок А и Б. Сварку выполняют вольфрамовым электродом на переменном токе. Удаление окисной пленки происходит в момент, когда изделие бывает катодом, т. е. вследствие катодного распыления. Если стыковые соединения выполняют без разделки кромок (при толщине металла до 4 мм), то ток подбирают по следующей формуле:

I = 50 • S

где I — сварочный ток, а;
S - толщина металла, мм.

Металлы большой толщины сваривают с разделкой кромок слоями. Ток подбирают из расчета 35 — 40 а на 1 мм диаметра вольфрамового электрода.

Катодное распыление, ионное распыление, разрушение отрицательного электрода (катода) в газовом разряде под действием ударов положительных ионов. В более широком смысле — разрушение твёрдого вещества при его бомбардировке заряженными или нейтральными частицами.

К. р., с одной стороны, нежелательное явление, уменьшающее срок службы электровакуумных приборов; с др. стороны, К. р. имеет практическое применение для очистки поверхностей, выявления структуры вещества (ионное травление), нанесения тонких плёнок, для получения направленных молекулярных пучков и т.д. Бомбардирующие ионы, проникая в глубь мишени, вызывают смещение её атомов. Эти смещенные атомы, в свою очередь, могут вызывать новые смещения и т.д. Часть атомов при этом достигает поверхности вещества и выходит за её пределы. При определённых условиях частицы могут покидать поверхность мишени в виде ионов.В монокристаллах наиболее благоприятные условия для выхода частиц складываются в направлениях, где плотность упаковки атомов наибольшая. В этих направлениях образуются цепочки соударений (фокусоны), с помощью которых энергия и импульс смещенных частиц передаются с наименьшими потерями. Существенную роль при К. р. играет процесс каналирования ионов, определяющий глубину их проникновения в мишень

К. р. наблюдается при энергии ионов E выше некоторой величины E ₀, называемым порогом К. р. Значения E ₀ для различных элементов колеблются от единиц до нескольких десятков эв. Количественно К. р. характеризуется коэффициентом распыления S, равным числу атомов, выбитых одним ионом. Вблизи порога S очень мало (10^–5атомов/ион), а при оптимальных условиях S достигает нескольких десятков. Величина S не зависит от давления газа при малых давлениях р < 13,3 н / м ²(0,1 мм рт. ст.), но при р > 13,3 н / м ²(0,1 мм рт. см.) происходит уменьшение S за счёт увеличения числа частиц, осаждающихся обратно на поверхность. На величину S влияют как свойства бомбардирующих ионов — их энергия E _i (рис. 1), масса M_i (рис. 2), угол падения ее на мишень (рис. 3), так и свойства распыляемого вещества — чистота поверхности, температура, кристаллическая структура, масса атомов мишени.

Угловое распределение частиц, вылетающих с распыляемой поверхности, анизотропно. Оно зависит от энергии ионов, а для монокристаллов также от типа кристаллической решётки и строения распыляемой грани. Осадок из распыляемого вещества, образующийся на экране, имеет вид отдельных пятен, причём симметрия картины осадка та же, что и симметрии распыляемой грани и образовавшихся на ней в результате К. р. фигур травления (рис. 4). Энергии распылённых частиц колеблются от нескольких долей эв до величин порядка энергии первичных ионов. Средние энергии распыляемых частиц составляют обычно десятки эв и зависят от свойств материала мишени и характеристик ионного пучка.

Источник: Электросварка. В. П. Фоминых А. П. Яковлев

http://tehinfor.ru/s_14/svarka_29.html

http://www.booksite.ru/fulltext/1/001/008/059/953.htm

Вопрос 31