СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Источники водорода при иаплавке порошковой проволокой
При наплавке порошковой проволокой расчет усложняется.
При оценке содержания водорода в наплавленном металле лентой сплошного сечения мы не учитывали вклад водорода, который может быть внесен с порошковым сердечником [Н]пс. Эту величину можно определить экспериментально или расчетным путем.
При экспериментальной оценке величины [Н] для определения водорода в наплавленном металле принимается два уравнения:
[Н]И-[Н]Д+[Н]ИС, (9.16)
[Н]и=[Н]д + [Н]ИС1+[Н]т (9.17)
Уравнение (9.16) относится к случаю наплавки лентой сплошного сечения, а уравнение (9.17) к наплавке проволокой с наполнителем. В одинаковых условиях производится наплавка двух валиков лентой с наполнителем и без него. Определяется содержание водорода в наплавленном металле [Н]н - при наплавке без наполнителя и [Н]и при наплавке с наполнителем. Величина [Н]пс определяется по разности концентраций водорода в наплавках:
[Н]пс-=[Н]н [Н]н (4.18)
Расчетный путь определения водорода в наплавке порошковой проволокой или лентой основывается на следующих положениях.
При наплавке порошковой лентой наплавленный слой образуется в результате расплавления оболочки и наполнителя. Доли участия в образовании слоя наплавленного металла оболочки и наполнителя зависят от коэффициента заполнения Кз, который представляет собой отношение массы наполнителя к общей массе порошковой ленты.
(9.19)
где G - масса единицы длины порошковой ленты, г;
gH - масса наполнителя, приходящегося на единицу длины ленты, г.
Масса единицы длины ленты G складывается из массы оболочки go и массы наполнителя gH приходящихся на единицу длины.
G g0 + g„ (9.20)
Для проволоки с алюминиевой оболочкой
go = S В у„ (9.21)
где 5 - толщина ленты, см;
В - ее ширина, см;
ул1 плотность алюминия, г/см3
|
При расплавлении проволоки длиной / на длине 1 см будет наплавлен объем металла F, = hKb 1, (9.22) где b - ширина наплавки, см. Этот объем складывается из объема металла, полученного при расплавлении оболочки Vo, и объема металла, полученного при расплавлении наполнителя VH |
|
I. |
|
L |
|
g„ |
|
go |
|
пр |
|
(9.23) |
|
У ля. яр ' плотность материала наполнителя, г/см3. Учитывая соотношения (9.21) и (9.22), получим: |
|
где |
|
go ' /пр go ( |
|
go_ |
|
яр _ |
|
1-М = |
|
+ — |
|
(9.24) |
|
Между величинами go и gM имеется зависимость, определяемая через коэффициент заполнения К: |
|
g. |
|
К. |
|
(9.25) |
|
g. + go Преобразуем это выражение: |
|
8. К, go go g„( 1 (*, So) (1 *,) |
|
8. |
|
(9.26) |
|
8я |
|
Подставив полученное значение для gH в уравнение (9.24), получим: |
|
К, go ( 1 *,) Уш |
|
go_ |
|
1 = L |
|
или |
|
F„ 1 = V go |
|
(9.28) |
|
( 1 *,) у. |
|
17- |
|
Учтя, что g = 8 B y. , получим: |
|
F„ 1 = LSB » щ> |
|
1 + |
|
(9.29) |
|
0-*,) 7, |
|
Из этого выражения можно определить длину порошковой проволоки / , израсходованную для наплавки слоя сечением ¥ч на длине 1 см: F |
|
(9.30) |
|
S В |
|
I + |
|
( 1- *,) Г. J |
|
Суммарная поверхность оболочки плющенки, участвующая в наплавке • S0 = 2 В 1^, или |
|
F В 2 |
|
S = |
|
(9.31) |
|
S В |
|
1 + |
|
( •- *,) г. |
|
Объем водорода, выделившийся при расплавлении оболочки |
|
2 ¥ы а. |
|
Fон г ~ о2 - |
|
(9.32) |
|
1 + |
|
( >- *,) Г. |
|
где а2 - коэффициент, определяющий объем водорода в см3, выделяющийся с 1 см2 поверхности оболочки плющенки при нагреве. Одновременно с расплавлением оболочки расплавляется |
наполнитель. Общий вес наполнителя, участвующего в наплавке,
<Л = g. или
(9.33)
Для определения объема водорода, выделяющегося с поверхности частиц наполнителя, необходимо подсчитать суммарную площадь их поверхности, которая зависит от формы и размера частиц. В зависимости от способа получения и свойств материала форма частиц может быть разнообразной. Для простоты расчета, при условии прохождения всех частиц через сито с одним размером ячейки С, форму частиц можно принять сферической диаметром D С, в виде куба с гранью С, в виде параллелепипеда с гранями СхСхяС или в виде цилиндра диаметром D - С и высотой пС (рис.9.3).
Определим объем водорода, выделяющегося с поверхности частиц сферической формы при расплавлении наполнителя:
Объем частицы наполнителя
(9.34)
Поверхность частицы
|
(9.35) |
Sr = 4п г2
Масса частицы
|
Gr (1 - К,)-*яг'.ут |
(9.36)
(9.37)
Суммарная поверхность частиц наполнителя
С - Л/С ЗК>- Во1*-4* Г'1 - Ь
(1 К,)-4-л - - г3.,. (1 К,)гуи <938>
Объем водорода, выделяющегося с поверхности сферических частиц при расплавлении наполнителя,
2
|
4 л’ |
з Ч go I,
|
(9.39) з |
пр
"г И,
( 1 К,) г г.
где а3 - коэффициент, определяющий объем водорода в см3, выделяющегося с 1 см2 поверхности частицы. Подставив в выражение (9.39) значение (9.30) и (9.21), получим:
3 K, S-Brtl FH-a3
|
’,н. |
|
1м г. |
|
(1 - К,) г-у.-З-В |
|
1 + |
|
( 1 ) 3*,- Ги F„ Ч |
|
и после сокращении. |
|
(1 - К,)г. к |
|
(9.40) |
|
1 + |
|
( 1 *,) г. |
Аналогичным образом рассчитывается объем водорода, выделяющегося с поверхности частиц, имеющих форму куба с гранью “С”, параллелепипеда с гранями С х С х п х С или цилиндра диаметром D = С и высотой п D. Учитывая, что куб -
|
это параллелепипед, у которого п - 1, расчет ведем для параллелепипеда.
|
Суммарная поверхность частиц наполнителя Г 2С1 (1 + 2 n)K, gJ„ 2ATjg / (1 + 2м)
- (1 -K. KV. ■ -ОДи*,) <945)
Объем водорода, выделяющегося с поверхности частиц формы параллелепипеда при расплавлении наполнителя,
2 К, g0 /„ ( 1 + 2 я)
С у„ ( 1 А:з) <946)
Подставив в выражение (9.46) значение (9.30) и (9.21), получим:
|
К и, |
|
SB (9.47) |
|
Спуп{-К,)- |
|
( 1 *,) к |
|
Из уравнения (9.47) следует, что с уменьшением п, т. е. при приближении формы частицы к пластине, объем |
2K, S-В у^ - F" (1 + 2п )• а}
водорода, выделяющегося с поверхности частиц при расплавлении наполнителя, увеличивается. Это объясняется увеличением суммарной поверхности частиц при уменьшении их толщины.
Сравнение уравнений (9.40) и (9.47) показывает их идентичность по структуре и физической сущности. Различие
3 2(1 + 2 л)
определено отношениями — (9.40) и (9.47),
которые обусловлены формой частиц наполнителя и представляет собой отношение площади поверхности геометрической фигуры к ее объему.
Таким образом, объем водорода, выделяющегося с поверхности частиц при расплавлении наполнителя, зависит от формы и размера частиц, что можно выразить через коэффициент формы.
Для сферы
3 6
Кф =- =- (9.48)
г D Для цилиндра
2(| + 2л) * nD
(9.49)
Для прямоугольной формы
„ 2(1 + 2/,)
к* <9-50>
|
К И, |
Введя в уравнение (9.40) и (9.47) коэффициент формы Кф, получим выражение для определения объема водорода, выделяющегося с поверхности частиц при расплавлении наполнителя с учетом формы и размера частиц:
1 + ---------- ^---------- Г-е-
( ' - ^) г.
|
В процессе наплавки участвует поверхность основного металла площадью 50М - Ы. При расплавлении ее выделяется объем водорода |
|
Ь а{ |
|
(9.52) |
|
ом Н7 |
|
где а1 - величина, аналогичная а2иау, зависящая от качества подготовки поверхности основного металла. Таким образом, при расплавлении основного металла и присадочной, порошковой проволоки выделяется объем водорода, представляющий сумму: |
|
V = V ГеНг - ¥' |
|
+ Vnu +V. |
|
(9.53) |
|
ом, |
|
OHj |
|
rH, |
|
*2 |
|
а, |
|
v#, = ba> + |
|
и-Ь- |
|
о-*>. |
|
1+- |
|
(1 - К,) у. V "’"ТО-Кэ)*. (9.54) Этот водород, растворившись в ванне, вызовет в ней увеличение концентрации его на величину [H]g. |
|
100, СМ3/100г (9.55) |
|
И, |
|
( F. * Г.) Г. |
|
где уп - плотность переплавленного металла, полученного в результате перемешивания расплавленного металла оболочки присадки металла наполнителя и расплавленного металла подложки. С учетом выражения (9.54) для VgH] получим: |
|
Vа |
',-Ym'Fk - а, |
|
1+, *3 ч ^ L о-*>) г. у |
|
100 |
|
2 FK д, |
|
К |
|
Ьа, + |
|
1 + |
|
О-*,) Г„ |
|
(9.56) |
В принятом нами технологическом процессе наполнитель вводится в виде лигатуры, имеющей плотность ул Плотность наплавленного металла уп может быть найдена из соотношения:
^ Ум + ^ У. (9.57)
Выразив отношения масс через коэффициент заполнения, получим:
У** (1 *3 ) У„ + *3 У. (9.58)
Учтя доли участия в образовании металла наплавки основного и присадочного металлов и плотность основного металла, можем записать выражение для определения плотности переплавленного металла:
У„ =т « [0 + *з)УМ+ кіУ.] (9.59)
Суммарное содержание водорода в наплавке [Я]
і
определяется выражением:
[Я]Е = [Hg + [Я]„ (9.60)
При этом исходное содержание водорода в металле [Я]и определяется как сумма содержаний его в основном металле, металле оболочки и порошкового наполнителя электрода с учетом их участия в образовании наплавки. Выражение для определения [Н]и по форме записи аналогично (9.59):
["1. " +»(0-^.)[ffL+ *,[«].}, Обі)
где [Я]^ - содержание водорода в оболочке в см3/100 г;
[Я]и - содержание водорода в лигатуре в см3/100 г.
Подставив (9.56) и (9.61) в (9.60) и выразив F через произведение b h, после преобразований получим:
2 h_
|
Кф-К, |
•У. v |
|
1+ к' г- |
|
l"k= |
|
1 + |
*з
0 ~Ki) r,
, +"И. Н0-*і)І"1.+*.И.}
и яр / і Щ
(9.62)
Полученное выражение позволяет рассчитать концентрацию водорода в наплавленном металле при использовании порошкового электрода. В уравнении (9.62) первое слагаемое определяет концентрацию растворенного в расплавленном металле водорода, выделившегося с поверхности основного металла (а), оболочки электрода (б) и порошкового наполнителя (в). Второе и третье слагаемые уравнения (9.62) определяют концентрацию растворенного водорода, вносимого в сварочную ванну соответственно с основным металлом, с металлом оболочки и материалом порошка электрода, с учетом долей их участия в образовании наплавки..
Как видим, количество водорода, вносимого в сварочную ванну с поверхностью порошкового наполнителя, зависит не только от коэффициента заполнения электрода, но и от размеров и форм частиц. При равной грануляции, то есть при прохождении частиц через сито с ячейками определенного размера прямоугольной формы, сферические частицы и в форме куба с гранью, равной диаметру сферы (шар, вписанный в куб), вносят равное количество водорода, поскольку имеют равные коэффициенты формы, а следовательно, и равные величины суммарной площади поверхностей частиц для равных суммарных объемов (масс) порошкового наполнителя.
Аналогичная закономерность наблюдается для частиц в форме параллелепипеда и цилиндра равной длины при условии C=D. Приближение формы частицы к пластине (п < 1) приводит к
увеличению коэффициента формы, что свидетельствует об увеличении площади поверхности частиц, а, следовательно, и количества водорода, вносимого в сварочную ванну. Частицы вытунятой формы ( п > 1) имеют меньший коэффициент формы и вносят соответственно меньше водорода При сравнении различных форм частиц равного объема независимо от их размеров наиболее рациональной является сфера, поскольку имеет наименьший коэффициент формы. Увеличение суммарной площади их поверхности при равном объеме порошка и снижает количество водорода, вносимого в сварочную ванну, Кф уменьшается. Содержание водорода на поверхности частиц, определяемое коэффициентом ат в значительной степени зависит от метода грануляции и обработки порошка
Таким образом, снижение концентрации водорода, вносимого в наплавленный металл с поверхностью частиц порошкового наполнителя, возможно за счет приближения формы частиц к сферической, увеличения размеров частиц и удаления пылевидной фракции, уменьшения содержания водорода в металле частиц, сокращения на поверхности частиц абсорбированной влаги путем предварительного вакуумного отжига порошка или готовой проволоки.
Концентрация водорода, растворенного в лигатуре [//], определяется технологией выплавки лигатуры.
Проведенный анализ источников водорода и полученное при этом уравнение (9.62) представ/|яют возможном оценить вероятность порообразования при наплавке алюминиевых сплавов с присадкой порошковой проволокой путем расчета содержания водорода в наплавленном металле при различных сочетаниях технологических параметров присадки и изыскать пути повышения плотности наплавленного металла [39].
