СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Влияние некоторых технологических факторов на плотность металла шва

Согласно литературным данным, причиной пористости металла шва является водород. Основным источником водорода при сварке алюминия под флюсом является влага, находящаяся во флюсе или адсорбированная на поверхности электродной проволоки и свариваемого металла. В процессе сварки влага попадает в реакционную зону, в которой происходит ее частичная диссоциация, а также взаимодействие с жидким алюминием с образованием атомарного водорода.

С точки зрения появления пор эта реакция весьма опасна, так как протекает непосредственно на поверхности металла. В результате этого в газовой фазе над поверхностью сварочной ванны создается повышенное парциальное давление атомарного водорода который легко растворяется в алюминии. Так как растворимость водорода в алюминии пропорциональна его парциальному давлению, то повышение количества влаги, внесенной в дуговое пространство, будет способствовать увеличению содержания водорода в сварочной ванне. Этому способствуют высокая температура, создаваемая электрической дугой, и значительный объем реакционного пространства, обусловленный использованием расщепленного электрода.

Учитывая, что количество влаги, содержащееся во флюсе, электродной проволоке и кромках свариваемого металла, определяется длительностью их хранения и влажностью атмосферы, были проведены исследования, определяющие влияние длительности хранения электродной проволоки и флюса на плотность металла шва при сварке алюминия закрытой дугой.

Для определения влияния длительности хранения использовали электродную проволоку А85Т диаметром 2 и 3 мм. Первоначально проволока обезжиривалась, а затем проходила травление в щелочной среде с последующим осветлением в слабом растворе азотной кислоты.

После химической обработки электродная проволока при длительном хранении на воздухе увеличивает свой вес. Привес проволоки происходит за счет образования на ее поверхности оксидной пленки и адсорбированной влаги. Периодическое взвешивание протравленной электродной проволоки на аналитических весах АДВ-200 показало, что в течение первых 100 ч (рис. 3.2) привес проволоки происходит более интенсивно, чем в последующий период ее хранения на открытом воздухе. Затем привес проволоки замедляется и достигает своей максимальной величины (0,032 г/100 г) после 500 ч хранения. В дальнейшем с течением времени привес электродной проволоки практически не происходит.

Для определения влияния длительности хранения электродной проволоки А85Т на пористость металла шва

при автоматической сварке алюминия А7 расщепленным электродом под керамическим флюсом ЖА-64А производилась однопроходная односторонняя сварка встык пластин размером 600 x 400x14мм. Используемый флюс непосредственно перед сваркой прокаливался в печи в течение 3-4 ч при температуре 523-553 К. Свариваемые пластины обезжиривались и собирались встык с зазором 6 мм. Перед сваркой кромки пластин зачищались шабером на расстоянии 50 мм от стыка. Режим сварки приведен в табл. 3.1.

Сварка пластин осуществлялась электродной проволокой непосредственно после химического травления, а также после хранения в атмосферных условиях в течение 1, 2, 3, 6, 10 и 20 суток. Из сваренных пластин производилась вырезка образцов для гидростатического взвешивания, микро - и макроисследования, вакуум-экстракции водорода и определения содержания А12Оу Схема вырезки образцов приведена на рис. 2.15.

Результаты гидростатического взвешивания показывают (рис. 3.3), что металл шва, полученный при использовании электродной проволоки, протравленной непосредственно перед сваркой, характеризуется высокой плотностью.

При сварке проволокой, хранившейся в течение первых трех суток после травления, плотность металла

О 100 200 300 400 500 600

Длительность хравениі, час

Рис. 3.3. Влияние длительности хранения электродной проволоки и флюса на плотность металла шва

шва снижается. Это объясняется увеличением количества влаги, вносимой электродной проволокой в дуговое пространство, что приводит к повышению парциального давления водорода, более полному его растворению в сварочной ванне и выделению в виде пузырьков в процессе кристаллизации. Максимальная пористость шва составляет 0,21 см3/Ю0 г и наблюдается при сварке электродной проволокой, хранившейся после обработки в течение 72 ч. При дальнейшем хранении электродной проволоки происходит снижение пористости металла шва, несмотря на то, что привес электродной проволоки продолжается в течение 400 ч. Дальнейшее увеличение длительности хранения электродной проволоки также приводит к снижению пористости шва. Например, после 16 дней хранения электродной проволоки пористость металла шва составляет 0,03 см3/100 г, что соответствует пористости металла шва, полученной при сварке под флюсом после длительности его хранения в течение суток.

При длительности хранения в открытой таре флюс поглощает влагу из окружающей атмосферы, что является одной из причин пористости металла шва [98]. Для определения гигроскопичности флюса ЖА-64А производилось ежедневное взвешивание пяти жаровен с флюсом, хранившихся в обычных атмосферных условиях. Перед первым взвешиванием флюс прокаливался в течение

3- х ч при температуре 300 °С для удаления имеющейся влаги. Полученные результаты приведены на рис. 3.3.

Влажность флюса в процессе его хранения после прокалки в течение 200 ч увеличивается практически прямолинейно и достигает 0,10 г/100 гфлюса. В дальнейшем увеличение влажности флюса происходит менее интенсивно и после 400 ч хранения достигает своего максимального значения, которое составляет 0,15 г на 100 г флюса.

Для определения пористости металла шва в зависимости от влажности флюса производилась сварка пластин встык электродной проволокой А85Т диаметром 3 мм, прошедшей травление перед сваркой. При сварке использовался флюс ЖА-64А с различной длительностью хранения.

Для сравнения производилась сварка пластин под слоем флюса непосредственно после его прокалки.

Согласно результатам гидростатического взвешивания (см. рис. 3.3), при сварке под прокаленным флюсом поры в шве отсутствуют. Проведенная вакуумная экстракция водорода из металла шва показала, что содержание растворенного водорода составляет всего лишь 0,30 см3/100 г, что значительно меньше равновесной растворимости водорода в жидком алюминии при температуре его кристаллизации.

Сварка под влажным флюсом приводит к возникновению пористости, которая увеличивается по мере возрастания содержания влаги во флюсе. Это объясняется процессом взаимодействия влаги с алюминием, в результате которой образуется атомарный водород, растворяющийся в сварочной ванне. При охлаждении сварочной ванны растворимость водорода снижается и происходит выделение избыточного водорода в виде пузырьков, которые при кристаллизации сварочной ванны создают пористость.

Увеличение пористости металла шва происходит в течение 48 ч хранения флюса после прокалки. Максимальная пористость (0,172 см3/100 г ) возникает при достижении влажности флюса 0,0235 г/100 г флюса. При дальнейшем увеличении длительности хранения флюса пористость металла шва снижается и составляет 0,02 см3/ 100 г при влажности флюса 0,15 г/100 г флюса.

Полученный характер изменения плотности металла шва в зависимости от длительности хранения электродной проволоки и флюса позволяет предположить наличие процесса дегазации сварочной ванны (механизм дегазации подробно рассмотрен во второй части книги). Данное предположение подтвердило исследование продольного сечения кратера сварочной ванны, полученного при сварке под флюсом после его длительного хранения. Было установлено, что если в передней части сварочной ванны наблюдаются микроопоры, то они отсутствуют в хвостовой части сварочной ванны. Свободному удалению пузырьков из сварочной ванны при сварке алюминия закрытой дугой способствует высокая активность применяемого флюса. При этом обеспечивается удаление оксидной пленки с поверхности сварочной ванны и не происходит задержки всплывающих пузырьков водорода.

Для численной оценки процесса дегазации сварочной ванны производилось гидростатическое взвешивание образцов, вырезанных из кратера сварочной ванны. Схема вырезки образцов представлена на рис. 3.4. Одновременно из второй половины кратера подготавливались образцы для химического анализа по определению содержания Al. fi} в металле. Ввиду сложной конфигурации сварочной ванны вырезанные образцы протравливались в 0,5 %-ном водном растворе HF с целью точного определения границы сплавления при подготовке образцов для гидростатического взвешивания.

іяшінш

Для определения кинетики дегазации сварочной ванны использовались кратеры швов, полученных при сварке пластин встык под флюсом с различной длительностью хранения. При этом применялась электродная проволока непосредственно после ее травления. Полученные результаты гидростатического взвешивания представлены на рис. 3.5.

Гидростатическое взвешивание образцов,

вырезанных из кратера шва при сварке под прокаленным флюсом, показало отсутствие пористости по всей длине кратера.

При сварке под флюсом после его хранения в течение суток изменение плотности кратера шва по его длине имеет возрастающий характер. Это объясняется тем, что в процессе сварки в реакционное пространство вносится влага, при взаимодействии которой с алюминием происходит

насыщение металла водородом. При наличии в сварочной ванне микрозародышей пузырьков образующаяся система пузырек водорода-раствор водорода в жидком металле находится в равновесии при условии:

р М,<„

где Рнг{п) ' давление водорода в пузырьке;

- концентрация растворенного в металле водорода;

[Я]°г равновесная концентрация водорода в растворе

при PHl “ 0,1 МПа.

При охлаждении перегретого жидкого металла наступает момент, когда концентрация растворенного в металле водорода окажется больше равновесной концентрации для этой температуры. При этом создаются условия для роста микрозародышей газовых пузырьков.

Ввиду того, что концентрация водорода в жидком металле незначительно превышает равновесную, увеличение размеров газовых пузырьков путем диффузии в них водорода происходит с небольшой скоростью. Поэтому возникшие газовые пузыри небольших размеров не успевают всплыть на поверхность сварочной ванны до ее кристаллизации и создают пористость шва, равную 0,12 см3/Ю0 г.

При сварке под флюсом после его хранения в течение 48 ч характер изменения плотности кратера шва по его

длине сохраняется аналогичным, как и в предыдущем случае. Однако увеличение количества влаги, внесенной в реакционное пространство, привело к большему насыщению сварочной ванны водородом и соответственно более интенсивному росту газовых пузырьков. Это привело к увеличению пористости шва, которая составила 0,172 см-уіОО г.

Использование флюса с длительностью хранения более 48 ч после его прокалки привело к снижению пористости шва (рис. 3.3). Гидростатическое взвешивание образцов, вырезанных из кратеров полученных швов, подтвердило наличие дегазации сварочной ванны (см. рис. 3.5). Наибольшая пористость наблюдается в начале кратера на расстоянии до 10 мм. Затем происходит уменьшение пористости металла кратера до его перехода в шов, пористость которого остается практически постоянной. Причем с увеличением длительности хранения флюса пористость передней части кратера шва возрастает, но процесс дегазации сварочной ванны при этом протекает более полно. Поэтому пористость металла шва с увеличением длительности хранения флюса уменьшается. Это объясняется большим количеством влаги, внесенной в дуговое пространство, и соответственно этому большим растворением

в передней части сварочной ванны водорода нр(ж), который

начинает диффундировать в зародыши пузырьков при более высокой температуре Тр. Соответственно увеличивается температурный интервал развития пузырька в объеме Тр - Т. Так как в процессе проведения экспериментов сохранялись постоянными все параметры режима сварки, то увеличение температуры начала развития пузырьков в объеме Тр приводит к увеличению времени существования металла в интервале температур Тр - Т, а следовательно, и времени диффузии водорода в зародыши пузырьков. Если учесть, что при высоких температурах скорость диффузии водорода в зародыши пузырьков возрастает, то при увеличении влажности флюса возрастает скорость роста пузырьков в объеме, что способствует процессу их удаления из сварочной ванны за время ее пребывания в жидком состоянии.

По результатам химического анализа в передней части кратера шва содержание оксида алюминия, который является зародышем газовых пузырьков, составляет 0,032 - 0,036 %. Этой концентрации А120} является достаточно для возникновения газового пузырька при превышении парциального давления газа в нем над внешним [36]. Последующая диффузия водорода в газовый пузырек приводит к увеличению его размеров и ускоряет процесс всплывания на поверхность сварочной ванны, что приводит к снижению концентрации водорода в жидком металле. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в передней части сварочной ванны.

Хвостовая часть сварочной ванны надежно защищена слоем расплавленного флюса от контакта с газовой фазой, что препятствует насыщению металла водородом. Проходящий процесс рафинирования металла при сварке приводит к значительному снижению концентрации оксида алюминия в хвостовой части сварочной ванны, которая составляет 0,007-0,013 %. При данной концентрации А120} происходит задержка в возникновении газового пузырька [37]. Для этого процесса необходимо значительное превышение парциального давления водорода над внешним. Если учесть прошедший процесс дегазации металла в передней части сварочной ванны и отсутствие насыщения водородом металла в хвостовой части сварочной ванны, то оставшейся концентрации водорода в металле окажется недостаточно для возникновения новых газовых пузырьков в хвостовой части сварочной ванны.

При кристаллизации сварочной ванны в металле шва фиксируются мелкие поры, возникающие в передней части сварочной ванны и не успевшие всплыть на поверхность за время ее существования в жидком состоянии. Аналогичный характер дегазации сварочной ванны наблюдался при исследовании кратеров, полученных при сварке электродной проволокой после ее длительного хранения. Поэтому при сварке алюминия закрытой дугой металл шва имеет достаточно высокую плотность независимо от длительности

хранения флюса и электродной проволоки.

При сварке по слою флюса поверхность сварочной ванны покрыта оксидной пленкой, которая препятствует выделению пузырьков водорода из жидкого металла. Поэтому при возникновении газовых пузырьков в сварочной ванне при сварке алюминия по слою флюса происходит их скопление в верхней части шва.

Для исследования влияния толщины свариваемого металла на плотность металла шва производилась однопроходная односторонняя сварка пластин толщиной 14, 16, 20 и 25 мм электродной проволокой непосредственно после ее обработки. Сварка осуществлялась под флюсом с влажностью 0,02 г/100 г, создающей максимальную пористость шва. Режимы сварки приведены в табл. 3.2.

Согласно полученным результатам (рис. 3.6), максимальная пористость была зафиксирована при сварке пластин толщиной 14 мм, которая составляет 0,172 см3/100 г металла. С увеличением толщины свариваемых пластин пористость шва снижается и составляет 0,04 см3/100 г металла при толщине свариваемых пластин 25 мм.

Снижение пористости шва с увеличением толщины свариваемого металла объясняется увеличением объема сварочной ванны.

Так как количество флюса, расплавленного на один

погонный метр шва, а следовательно, и количество влаги, внесенной в дуговое пространство, при этом возрастает незначительно (табл. 3.3), то q увеличением толщины свариваемого металла снижается количество водорода, растворяющегося в сварочной ванне, что способствует повышению плотности металла шва.

Одним из наиболее опасных источников водорода, растворяющегося в сварочной ванне, является влага, адсорбированная поверхностью электродной проволоки. При сварке алюминия плавящимся электродом удельная поверхность проволоки, принимающей участие в образовании сварного шва, в несколько раз превышает поверхность кромок основного металла [32]. Следовательно, электродная проволока в большей мере способствует образованию пор, по сравнению с кромками свариваемого металла.

Так как поверхность электродной проволоки, принимающей участие в образовании шва, определяется ее диаметром, производилось исследование влияния диаметра электродной проволоки на плотность металла шва. Сварка пластин толщиной 14 мм производилась электродной проволокой диаметром 2,0; 2,5 и 3,0 мм. Причем для проведения экспериментов использовалась электродная проволока одной плавки, протянутая с диаметра 3,0 мм на диаметры 2,0 и 2,5 мм, которая после химической обработки хранилась на воздухе в течение одних суток. Для сварки использовался флюс непосредственно после прокалки. Сварка осуществлялась на режиме (табл. 3.4), при котором изменялось только значение скорости подачи электродной проволоки, а остальные параметры сохранялись постоянными.

Результаты гидростатического взвешивания показывают (см. рис. 3.6), что с уменьшением диаметра электродной проволоки увеличивается пористость металла шва. Если при сварке электродной проволокой диаметром 3 мм пористость шва составляет 0,13 см3/100 г металла, то при использовании проволоки диаметром 2 мм пористость шва возрастает до 0,2 см3/100 г металла. Это связано с увеличением удельной поверхности проволоки, участвующей в образовании металла шва, и соответственно увеличением количества адсорбированной поверхностью проволоки влаги, вносимой в реакционное пространство при сварке.

Аналогичные эксперименты были проведены при использовании электродной проволоки с длительностью хранения 3 суток после химической обработки. В данном случае с уменьшением диаметра электродной проволоки пористость металла шва снижается (см. рис. 3.6). Исследование продольных сечений кратеров полученных швов показало наличие процесса дегазации сварочной ванны при сварке электродной проволокой диаметром 2,0 и 2,5 мм, что приводит к снижению пористости металла шва. Следует отметить, что во всех исследуемых случаях пористость шва не превышала 0,20 см3/100 г металла.

Для определения влияния пористости металла шва на механические и коррозионные свойства сварных соединений производились испытания на разрыв, загиб и коррозию сваренных. встык пластин с максимальной пористостью шва 0,20 см3/100 г металла.

Полученные результаты приведены в табл. 3.5.

Полученные результаты механических испытаний сварных соединений свидетельствуют о том, что при максимальной пористости металла шва сварные соединения сохраняют достаточно высокие прочностные и пластические свойства. Это объясняет отсутствие в металле шва крупных пор, снижающих его сечение, что подтверждается результатами рентгенопросвета, а также изучением макро - и микрошлифов поперечных сечений шва.

При максимальной пористости металла шва критерий коррозионной стойкости увеличился до 23,4 %, что свидетельствует о снижении коррозионной стойкости сварных соединений. Однако полученное значение критерия коррозионной стойкости не превышает предельно допустимой величины, которая составляет А <, 30 % согласно методике ускоренных коррозионных испытаний сварных алюминиевых соединений ИЭС имени Е. О. Патона [94].