СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Пористость металла, наплавленного порошковым электродом

Процесс порообразования относится к сложным физико-химическим явлениям, и его развитие обусловлено не только свойствами исходного металла, но и особенностями сварочного процесса. Образование пор протекает в несколько стадий: формирование зародышей газовых пузырьков, развитие пузырьков в объеме сварочной ванны в процессе диффузии и коалесценции, дегазации ванны преимущественно за счет всплывания пузырьков.

При установившемся процессе наплавки в жидком металле ванны появляется большое количество мелких (зародышевых) газовых пузырьков. Считается, что источником их появления могут быть либо поверхностные микрополости расплавляемых поверхностей (например кромок), содержащие адсорбированную влагу, жировые и пылевые

загрязнения, оксиды и др. [61 - 63], либо микродефекты твердого металла - микротрещины, вакансии, скопления дислокаций и др., являющиеся своеобразными микроловушками протонов и молекул газа (чаще всего водорода) [64-66].

В обоих случаях зарождение микрополостей

происходит в головной части сварочной ванны, которые вместе с потоком жидкого металла переносятся в ее хвостовую часть.

Из всех газов, с которыми алюминий вступает во

взаимодействие, растворяется в нем только водород [38, 43].

Известно, что алюминий относится к группе металлов, которые увеличивают растворимость водорода при повышении температуры [64], поэтому жидкий металл сварочной ванны интенсивно поглощает водород при взаимодействии с газовой атмосферой дуги. Растворимость водорода в алюминии при постоянном давлении показана на рис. 9.11.

Следует отметить, что, кроме двух упомянутых выше источников поступления газовых пузырьков в сварочную ванну, существует еще один, обнаруженный нами при наплавке алюминия порошковым электродом [56,59]. Установлено, что при расплавлении порошкового электрода в образующуюся на конце электрода каплю вместе с шихтой поступают газовые зародыши, возникающие при термическом разложении гидратированных оксидов, жировых пленок, адсорбированных молекул воды, газов и других веществ, находящихся на

шероховатой поверхности частиц шихты [195].

На рисунке 9.12 показана схема зарождения газовых полостей в капле плавящегося порошкового электрода.

Наличие поверхностных дефектов на частичках шихты в виде углублений, сколов, микротрещин, уступов и т. п., является стимулирующим фактором на возникновение

зародышей газовой фазы в капле [56]. Изложенный механизм появления газовых пузырьков в капле и переноса их в ванну подтверждается ([67]) макроструктурой продольного сечения закристаллизовавшейся капли на торце электрода (рис. 9.13 ).

Дальнейшее развитие газовых пузырьков, попавших в сварочную ванну, происходит путем коалесценции и диффузии водорода из жидкого металла в газовую полость.

Процесс дегазации сварочной ванны начинается в тот момент, когда концентрация водорода в сварочной ванне превышает равновесную вследствие снижения температуры металла и уменьшения растворимости (рис.9.11).

Степень объемного пересыщения металла сварочной ванны растворённым водородом зависит от интенсивности (скорости) выделения газов из нее [68]. При вялом выделении газов из жидкого металла (рис. 9.11, кривая 2) в процессе охлаждения пересыщение его газами в момент кристаллизации [Н]ф - [Н]а велико, и в металле образуются поры. Ускоренная дегазация ванны (кривая 1 рис. 9.11) уменьшает вероятность образования пор.

Ранее был дан анализ механизма поступления водорода в сварочную ванну и получено уравнение (9.62) для определения общего количества водорода в ней при наплавке алюминиевых сплавов порошковыми материалами.

Количество водорода, вносимого в сварочную ванну с поверхности частиц порошкового наполнителя, зависит не только от коэффициента заполнения электрода, но и от размеров и формы частиц. Следовательно, изменяя гранулометрический состав шихты порошкового материала, технологию его получения и коэффициент заполнения, можно в широком диапазоне изменять объем выделяющегося с поверхности частиц водорода и, следовательно, управлять процессом дегазации сварочной ванны.

Количество водорода, вносимого в сварочную ванну материалом порошкового наполнителя, определяется произведением К3 Нн На основе предварительных экспериментов принимаем [Н]и = 2,32 см3/100 г. Количество водорода, который вносится в сварочную ванну материалом основного металла [Н]ос - 0,087 см3/100 г и оболочки порошковой проволоки [Н]^ 0,27 см3/100 г. По

зависимости (9.62) рассчитываем исходную концентрацию водорода в сварочной ванне в зависимости от грануляции и коэффициента заполнения порошкового материала (рис.9.14).

На основе аналитической обработки зависимостей исходной концентрации водорода в сварочной ванне от коэффициента заполнения порошковой ленты и размера частиц шихты получено достаточно простое параметрическое уравнение в виде

[Н)«* = (4,76х4du - 3,7б)0,2 ’ (9 66)

где [Н]^ - исходное содержание водорода в ванне, см3/100 г;

dm - средний диаметр частиц шихты, м.

Тогда величина пересыщения сварочной ванны водородом при наплавке может быть найдена по выражению:

ЬСЖ-[Н]ю-[Н]в. (9.67)

Для исследования влияния гранулометрического состава шихты на пористость наплавленного металла была изготовлена серия порошковых лент с Кз = 0,35 и с различными размерами частиц шихты. После наплавки исследуемыми порошковыми лентами производилась вырезка образцов для макроструктурного анализа и гидростатического взвешивания. С целью определения объема несплошностей в различных участках наплавленного металла производилось раздельное гидростатическое взвешивание образцов, вырезанных из верхней нижней части наплавленного слоя и в целом всего валика (кривые 1, 2, 3 рис. 9.15).

Для исследования влияния коэффициента заполнения порошковой ленты на пористость наплавленного металла были произведены экспериментальные наплавки порошковыми лентами с коэффициентами заполнения от 0,20 до 0,45. Полученные результаты представлены на рис. 9.16.

Шихта мелкой фракции с размером гранул 0,01 см имеет развитую поверхность и вносит значительный объем водорода, который обусловливает повышенную пористость наплавленного металла. Объемы несплошностей в нижней и верхней части наплавленного слоя сравнительно высоки и составляют соответственно 1,07 и 1,61 см3/100 г. Формирование наплавленного слоя ухудшается ввиду усиленного разбрызгивания электродного металла.

Увеличение размера частиц шихты порошковой ленты приводит к снижению количества водорода, вносимого поверхностью частиц шихты, и их перераспределению его в объеме наплавленного металла.

Объем несплошностей в нижней части наплавленного слоя уменьшается до 0,09...0,26 см3/Ю0 г в случае, когда размеры частиц шихты порошковой ленты составляют 0,02...0,08 см.

В верхней части слоя скапливается значительное количество пузырьков и объем несплошностей составляет

1,42.. .1,73 см3/100 г, что свидетельствует о дегазации нижней части сварочной ванны в период ее существования в жидком состоянии.

Аналогичный характер изменения объема наплавленного металла наблюдается при исследовании роли коэффициента заполнения порошковой ленты (рис. 9.16). При Кз 0,2 объем несплошностей в верхней и нижней части наплавленного металла составляет 0,6...0,8 см3/Ю0 г.

С увеличением коэффициента заполнения порошковой проволоки до 0,4 происходит перераспределение объема несплошностей по сечению наплавленного слоя. Объем несплошностей в нижней части слоя уменьшается до 0,096 см3/Ю0 г, а в верхней части возрастает до 1,73 см3/100 г. При Кз 0,45 происходит увеличение объема несплошностей в нижней части наплавленного металла до 0,95 см3/100 г.

Таким образом, изменяя технологические параметры порошкового электрода (К3) и гранулометрический состав шихты можно в определённых рамках управлять процессом порообразования при наплавке поршней. Однако, помимо упомянутых факторов, на порообразование в наплавленном металле большое влияние оказывают режимы наплавки, гидродинамика сварочной ванны и др. В связи с этим необходимо провести дополнительный анализ процесса порообразования при наплавке с учётом названных и др. процессов.