СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Определение состава и концентрации газов в металле шва

В процессе сварки алюминия под флюсом расплавленный металл взаимодействует как со шлаковой, так и с газовой фазой. Благодаря высокой активности флюса и хорошей изоляции зоны сварки от контакта с атмосферой сварочная ванна подвергается интенсивной металлургической обработке и очищается от оксидных и неметаллических включений. Этому процессу способствует разработанная технология однопроходной односторонней сварки толстолистового алюминия, что гарантирует отсутствие непроваров и шлаковых включений в шве. Поэтому возможным дефектом сварочного шва при сварке алюминия под флюсом является пористость, причиной образования которой является пузырьковое выделение газов в процессе кристаллизации сварочной ванны.

Согласно литературным данным [50, 109], основной объем газов, находящихся в алюминии, приходится на долю водорода. Азот и сложные газы присутствуют в незначительных количествах. При сварке алюминия под флюсом в состав газовой фазы могут входить водород, азот, а также СО, С02, проникающие в сварочную ванну из воздуха или флюса. Наличию СО и С02 в газовой фазе может способствовать органическое соединение карбоксиметилцеллюлоза, используемое как связующее вещество при изготовлении флюса. Однако, количественного определения состава растворенных газов и их влияние на пористость шва при автоматической сварке алюминия под флюсом не производилось. Поэтому исследование этого вопроса

представляет значительный интерес.

Для определения состава и концентрации газов, содержащихся в металле шва, был использован масс - спектрометр типа MX-1302, который относится к числу новейших приборов, используемых для анализа состава и концентрации газов. Принцип работы приборов данного типа основан на различии траекторий положительных ионов анализируемого вещества в однородном поперечном магнитном поле, отличающихся величиной массы к заряду [8].

Для анализа был использован щов без пор, полученный при сварке встык пластины толщиной 14 мм. Выточки образцов для масс-спектрального анализа производилась резцом, тщательно обезжиренным в двухкратно перегнанном четыреххлористом углероде без применения охлаждающей жидкости. Определение концентрации выделяющихся газов производилось при температуре 573 К в твердом образце и после его расплавления при 973 К. Длительность анализа при каждой температуре составила 30 мин.

Испытуемый образец загружался в стеклянный шлиф с отростком и перпендикулярно направленным кварцевым стаканом. Первоначально откачка системы производилась с помощью форвакуумного насоса. По достижении необходимого предварительного разряжения включались парортутные насосы для баллона напуска и камеры анализатора отдельно.

Вся значительная часть и система напуска обезгаживались в печи при температуре 573-623 К в течение 1 ч. Кварцевый стакан обезгаживался с помощью асбестовой печи на 323 К выше предполагаемой температуры испытуемого образца.

После полного остывания системы напуска и камеры анализатора производятся измерения. Во время измерений температура кварцевого стакана поддерживалась постоянной, откачка системы на время измерений отключалась.

Используемый образец с помощью магнита 91

сбрасывался в нагретый кварцевый стакан, и по истечении 2 минут записывался спектр газов с помощью самопишущего потенциометра в течение 30 мин.

Выделение газов при анализе может происходить как с поверхности образца (адсорбированные газы), так и с внутренних слоев образца (растворенные газы). При определении растворенных газов их выделение происходит за счет диффузии. В твердом алюминии диффузионным путем может выделяться только водород, коэффициент диффузии которого возрастает с увеличением температуры. Выделение остальных газов из твердого образца происходит только с поверхности, ввиду невозможности их диффузии из внутренних слоев твердого образца. После расплавления испытуемого образца, кроме водорода, происходит выделение растворенных в металле Ny СО и СОг

По результатам масс-спектрального анализа при 573 К выделение газов практически не происходит, что говорит о рациональном способе подготовки поверхности образца. Диффузионное выделение растворенного водорода отсутствует ввиду малой величины коэффициента диффузии, который составляет при 573 К 3 Ю-8 см2/сек., а диффузия остальных газов из твердого алюминия невозможна.

Результаты определения состава и концентрации газов в исследуемом образце после его расплавления представлены на рис. 3.1.

При расплавлении образца объем выделившихся газов составил 0,503 см3/100 г. Концентрация водорода при этом составила 0,46 см3/Ю0 г, углекислого газа - 0,013 см3/100 г, а СО + N2 - 0,032 см3/100 г. Согласно полученным результатам, основной объем выделившихся газов составляет водород, на долю которого приходится 91 % от общего объема растворенных в металле шва газов. Содержание остальных газов составляет 9 %.

По результатам гидростатического взвешивания анализируемый образец не имел пор. Так как в алюминии может растворяться только водород, то определенные

анализом остальные газы (COT + СО) находились, по-

видимому, на поверхности образца и объем их очень незначителен. j

Чтобы определить, какой из анализируемых газов влияет на пористость металла шва, производился масс - спектральный анализ образца, выточенного из металла шва, пористость которого по результатам гидростатического взвешивания составляла 0,12 см3/|100 г. Подготовка образца для анализа производилась аналогично предыдущему опыту. Результаты анализа приведены на рисунке 3.1.

Рассматривая результаты масс-спектрального анализа в металле шва, содержащего поры, можно отметить, что основной объем газов, растворенных в металле шва, приходится на долю водорода, содержание которого составляет 0,96 см3/100 г. Концентрация углекислого газа, СО + незначительна и составляет соответственно 0,015 и 0,029 см3/100 г. Суммарный объем С02, СО + N2 составляет 5 % от общего объема выделившихся газов.

Сравнивая концентрации газов в двух исследуемых образцах, можно отметить, что они отличаются только по
содержанию водорода. Содержание СОу СО + N2 в пористом образце практически не отличается от концентрации этих газов в образце без пор. Следовательно, причиной пористости металла шва при сварке алюминия закрытой дугой является водород.