СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Экспериментальное определение содержания водорода в порошковом наполнителе

Изыскание путей повышения плотности наплавленного металла возможно расчетным путем, то есть оценкой вероятности порообразования в наплавке при различных сочетаниях технологических параметров присадки путем расчета концентрации растворенного водорода на основании результатов проведенного анализа. Для осуществления таких расчетов необходимо знать гранулометрический состав и форму частиц реального порошкового наполнителя и содержание водорода на поверхности и растворенного в металле частиц при различных способах обработки порошкового наполнителя.

Порошковый наполнитель изготавливается путем наплавки лигатуры Си - Sn - Si в индукционной печи и последующего дробления слитка с непрерывным отсевом через сито с ячейками 400 мкм.

Состав лигатуры по химическому анализу, % мае.: меди - 66,5; олова - 31Д; кремния - 2.

Для предварительной оценки газонасьнценности было проведено сравнение теоретической и действительной плотности лигатуры.

Теоретическая плотность лигатуры составляет.

% Си + % Sn + % Si ys = 8,3 г/см3.

Для определения действительной плотности лигатуры использован метод взвешивания образцов в воде и на воздухе по известной методике [40]. Результаты взвешивания образца лигатуры приведены в таблице 9.1.

Из приведенных данных следует, что теоретическая плотность лигатуры несколько выше полученной экспериментально, что можно объяснить наличием в образце несплошностей в виде микропор. На

рис.9.4 приведены микроструктуры образца лигатуры, на которых просматриваются указанные дефекты.

Определение содержания водорода в лигатуре производилось по методике МАТИ экстракцией газа из образцов в вакууме при различной температуре [40].

В приведенном выше анализе источников водорода, растворяющегося в металле при сварке порошковой лентой установлено, что водород выделяется как с поверхности, так

и из объема наполнителя. Для оценки коэффициента “aWj ”,

учитывающего объем водорода в см3, выделяющегося с 1 см2 поверхности порошка (а3), и определения водорода, выделяющегося из объема металла лигатуры [Я] см3/100 г, проводились опыты по экстракции водорода из порошка и компактного образца лигатуры. По результатам опытов определялся объем выделившегося водорода Vht Зная массу образцов Р, составлялись системы из двух уравнений:

Ун =о„ —Ря+ — Ря 1 J 100 100

V'Hi=aH Sto

Я3 к. о. j00 ко

В этих уравнениях aWj - коэффициенты, характеризующие объем водорода, выделившегося с единицы поверхности частиц наполнителя (лигатуры); Sn - суммарная поверхность частиц порошка массой 100 г, Рп - масса порошка, взятого для анализа; Sfx) - суммарная поверхность компактного образца массой Р^; [Н] - содержание водорода в объеме металла в см3/!00 г.

Результаты экстракции водорода из порошка массой 0,6 г и компактного образца массой 0,813 г представлены на рис. 9.5.

Для определения интересующих нас величин необходимо располагать данными о суммарной поверхности образцов. Поверхность компактного образца определялась отпечаткой его граней на миллиметровой бумаге с последующим подсчетом суммарной площади. Она оказалась равной 1,1 см2. Для определения суммарной площади частиц
порошка проводился анализ массового содержания частиц порошка различного размера просевом его через сита различной частоты. Результаты этого анализа представлены в таблице 9.2.

С помощью полученных данных рассчитывалась суммарная площадь поверхности частиц различного размера

с учетом их содержания в 100 г порошка и суммарная поверхность смеси частиц различного размера в 100 г порошка.

Суммарная поверхность частиц в 100 г порошка при прочих равных условиях зависит от их формы.

При проведении анализа источников водорода, растворяющегося в ванне, рассматривались частицы различной

формы: сферические, формы цилиндра, формы куба и в форме параллелепипеда с различной длиной грани - больше или меньше базового размера грани “С"

Анализ под микроскопом исследуемого порошка показал, что частицы по форме ближе к кубу, отдельные, наиболее крупные, имеют несколько вытянутую форму. Поэтому расчет суммарной площади поверхности производился для частиц кубической формы. Результаты расчета приведены в таблице 9.2.

Результаты расчета показывают, что частицы размером

5.. .63 мкм при содержании их всего до 1 % вес. обладают весьма значительной поверхностью, которая составляет до 6 % от суммарной площади всех частиц. По результатам выполненных расчетов суммарная поверхность частиц 100 г порошка составляет 4167 см2.

На основе полученных данных выполнен расчет коэффициента выделения водорода с поверхности порошка

аН] и содержание растворенного в порошке водорода [Н], приводимый ниже.

Экстракция водорода при 500 °С:

0,01577 = ан —---------------- —--- + [Я] 0,006

100

0,00754 = аН} 1,1 + [Я] 0,0081

0,00754 - [ЯІ 0,0081

ан ----------------------------- —-------------

Н) 1,1

0,01577 1,1 = 0,00754-4167-0,006-[Я]0,0081-4167-0,006 +

+ [Я]-0,006-1,1 0,017347 = 0,188515-[Я]0,20252+ [Я] 0,0066

г, л 0,188515- 0,017347 3 ,1АЛ

Я = —------------------ -------------- = 0,8737 см3 /ЮОг

1 1 0,20252- 0,0066

0,00754-0,8737- 0,0081 лллл„„1 3/ 2

ан =—------------------ :------------- J----- г- = 0,000421 см3! см2

н, м

С целью проверки характера выделения газов из порошка наполнителя при более высокой температуре (выше температуры плавления алюминия) проводилась последующая экстракция водорода из этих же образцов при температуре 700 °С. После окончания выделения газов при 500 °С температура в печи поднималась до 700 °С. Из приведенных на рис. 9.5 данных следует, что при 700 °С начинается энергичное выделение дополнительного объема водорода.

Экстракция водорода при 700 аС без учета его объема, выделившегося при 500 flC:

Объем водорода, выделившегося после экстракции порошка при 500 °С:

VHJK10Q) - 0,03872 - 0,01577 = 0,02295 см3

Объем водорода, выделившегося после экстракции

компактного образца при 500 °С:

VH2KO(m) = 0,02897 -0,00754 = 0,0214 см’

0,02295=ан 0,6 + И 0,6

Нг 100 100 0,02143 = ан 1,1 +И о,81 100 0,02143 -[Я]0,0081

а и =------------------- —1-----------

1,1

0,02295 ■ 1,1 + 0,02143 • 467 • 0,006 - [я]0,0081 4167 0,006 +

+ [Я]0,006-1,1

0,025245 = 0,535793- [Я] - 0,2025162+[я]0,0066

г, 0,535793 - 0,025245 ,/1ЛЛ

Я = —------------------- 1---------- = 2,6 слг /100г

L J 0,2025162 -0,0066

0,02143 - 2,6 0,0081 ААЛП„Г 3/ 2

аи = = 0,000336 см /см

1,1

Экстракция водорода при 700 аС с учетом его объема, выделившегося при 500 *42:

0,02892 = ан 1,1 + 0,81

100

0,03872 = ан — 0,6 + Мо, б "* 100 100

0,02897 - [Я] 0,0081

О и —

1,1

0,03871 1,1 = 0,02897 -4167- 0,006 - [я]0,0081-4167- 0,006 + + [Я] 0,006 1,1 0,042592 =0,7243079 - [я] 0,2025162 + [я] 0,0066

Сопоставление полученных данных позволяет отметить, что коэффициент поверхностного выделения водорода при 500 °С aW(500) = 0,000421 см3/см2, при экстракции при 700 °С он меньше и равен 0,000336 см3/см2. В то же время объем водорода, извлеченного из металла [Я]^ = 0,87 см3/ 100 г меньше, чем [Я]700 = 2,6 см3/100 г.

Из этого следует вполне логичный вывод о том, что при температуре экстракции до 500 °С большая часть водорода выделяется с поверхности частиц. При дальнейшем повышении температуры до 700 °С усиливается выделение водорода из объема металла. Именно поэтому [Я] возрастает и ан уменьшается.

Использование полученных коэффициентов в расчетах позволяет заключить, что при относительно невысоких значениях коэффициента заполнения проволоки с порошковым наполнителем вносится значительное количество растворенного водорода. Понизить его концентрацию можно, применив предварительный отжиг порошка в вакууме при температурах 300 или 500 °С с последующим хранением в эксикаторах с сухой атмосферой.

Перед изготовлением порошка слиток следует очищать с поверхности для удаления поверхностных дефектов и пригара. Для уменьшения водорода в металле желательно рекомендовать вакуумную плавку лигатуры.

Анализ кривых экстракций и коэффициентов выделения

водорода с поверхности образцов aWj и из их объема [Я]

позволяет заметить следующее:

при экстракции при температуре 500 °С выделение газа из порошка (рис.9.5) происходит очень быстро и заканчивается за 30 минут. Основной объем водорода выделяется с
поверхности 0,000421 х 41,67 х0,6 - 0,01052 см3, из металла выделяется объем, меньший 0,0087 х 0,6 = 0,00522 см3;

при экстракции газа из компактного образца (рис.9.5) при температуре 500 °С с поверхности образца выделяется объем водорода, равный 0,000421 х 1,1 х 0,81 = 0,000375, из объема металла выделяется основная часть водорода 0,0087 х 0,81 - 0,007047, и выделение его происходит медленно, поскольку контролируется скоростью диффузии водорода в твердом металле. Полное выделение водорода из объема частиц порошка при 500 °С заканчивается за 85 минут (рис. 9.5), в то время как из объема образца компактного выделение водорода при этой температуре продолжается и после 130 минут (рис. 9.5).

Выше было указано, что для существенного сокращения водорода, вносимого в наплавленный металл с порошковым наполнителем, его нужно предварительно отжигать в вакууме при температуре 500 °С. Для отожженного порошка могут быть приняты коэффициенты а„2 = 0,000336 см3/см2 и [Я]= 2,6 см3/100 г.

Если не применять предварительного отжига порошка, то необходимо использовать коэффициенты, рассчитанные по суммарному объему водорода, выделяющегося после экстракции при 500 и 700 °С.

Таким образом, для невакуумированного порошка в расчетах необходимо принять aHj = 0,000711 см3/см2 и [Я] = 3,48 см3/100 г.

Полученные значения величин оН)(о3) и [Я] позволяют расчетным путем определить концентрацию растворенного в ванне водорода при наплавке порошковой лентой с оболочкой и порошковым наполнителем, предварительно обработанными различными способами.