СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Разработка способов борьбы с пористостью наплавленного металла

В общем случае, как было показано выше, процесс образования пор можно разделить на два этапа: 1 возникновение зародышей газовых пузырьков и 2 развитие и перемещение их в условиях гидродинамической и температурной нестационарности жидкого металла сварочной ванны.

Из этого следует, что возможны три принципиальных способа получения наплавленного металла с минимальной пористостью:

исключение или эффективное ограничение

образования зародышей газовых пузырьков в

а

сварочной ванне;

недопущение развития образовавшихся газовых зародышей;

создание условий для эвакуации газовых пузырьков из расплава ванны до момента их “вмерзания" в кристаллизующийся металл. Наиболее радикальными способами исключения пористости наплавленного металла являются первые два, хотя на практике они наиболее трудно осуществимы [54,58, 69, 74, 99], особенно при использовании порошкового электрода.

Третий путь предполагает неизбежность образования и развития газовых пузырьков в сварочной ванне до определенных размеров. Останется ли пузырек газа в закристаллизовавшемся наплавленном металле в виде поры или успеет всплыть - зависит от траектории его перемещения и соотношения скоростей роста пузырька и кристаллов металла Оценить эти параметры весьма сложно даже при использовании изложенной выше расчетной модели, поскольку порообразование (/7) является многопараметрической функцией взаимосвязанных переменных;

П = /(1С, Ud, Ус, F„ К„ dh, ЬСЖ< Тж, ц, р, а и т. д.).

(9.118)

Рассмотрим влияние отдельных параметров процесса наплавки на поведение газовых пузырьков в сварочной ванне. На рисунках 9.24-9.26 представлены результаты расчета траектории движения газового пузырька в сварочной ванне в зависимости от скорости наплавки, напряжения на дуге, величины сварочного тока. Анализ многих вариантов расчета показывает, что путем регулирования режима наплавки можно управлять траекторией движения газового пузырька и, следовательно, процессом порообразования в наплавленном металле. Так, при изменении скорости наплавки от 10 до 20 м/ч (рис. 9.24) изменяется не только вероятность образования пор, но и место их расположения (по высоте валика).

Аналогичный результат получается при изменении сварочного тока и напряжения на дуге.

Траектория движения газовых пузырьков в сварочной ванне определяется не только параметрами режима сварки, но и его начальным размером (рис. 9.27). Мелкие пузырьки имеют малую скорость всплывания Vt и градиентную скорость Ут, поэтому их траектория определяется в основном потоком металла ванны.

Увеличение размеров пузырька зависит от степени пересыщения жидкого металла водородом (ЛСж, ф-ла 9.114), коэффициента диффузии D и времени t. Учитывая, что при перемещении пузырька в жидком металле ванны он попадает в различные температурные условия, то непосредственное определение его размеров по формуле 9.114 будет неверным. Учет этих обстоятельств выполнен в специально разработанной программе Mathcad, и по результатам расчета для конкретных условий построены графики на рис. 9.28.

Из рисунка 9.28 видно, что с течением времени скорость роста пузырька замедляется. При исходной концентрации водорода в сварочной ванне, незначительно превышающей равновесную (0,69 см3/Ю0 г), газовые пузырьки не успевают вырасти до значительных размеров, поскольку время до момента кристаллизации металла шва невелико. При определенных параметрах режима сварки (рис. 9.24,в; 9.25,6; 9.26,а) траектория пузырьков пересекает фронт кристаллизации в нижней части шва, и, по всей вероятности, пузырьки застревают в зубчатом фронте,

Рнс. 9.27. Влиянне радиуса газового пузырька г0 на траекторию его движения: а - г0=0.05 мм; 6- г0=0,075 мм; в - г0=0,1 мм (Vc>=10 м/ч,1д-200А, ид=20В)

о 0.15 0.3 0.45 t, с

а

6

Рнс. 9.28. Иамененне радиуса пузырька в сварочной ванне с течением времени: а - г, * 0,01 мм; б - г, = 0,05 мм

образуя поры.

Для подтверждения подобного механизма образования пор были выполнены опытные наплавки кольцевых образцов. Наплавка проводилась порошковой лентой ПЛ-МА-б. с К-0,35 и средним размером частиц шихты -0,05 см на режиме /и-300А, 1^=18В, V^-25 м/ч. Порошковая лента использовалась в двух состояниях: после длительного хранения в обычной атмосфере и прокалённом перед наплавкой виде при температуре 200- 220 °С в течение 2-х часов. В последнем случае удалось снизить исходное содержание водорода в металле сварочной ванны до 0,96 см3/100 г, по сравнению с 1,7 см3/ 100 г для ленты без прокалки.

На рис. 9.29 приведены макрошлифы продольных сечений наплавленных валиков. Как видно, пористость в обоих случаях наблюдается вблизи линии сплавления, причем при использовании прокаленной перед наплавкой лентой поры небольшого размера, а их количество невелико.

При наплавке порошковым электродом после длительного хранения (- 1 месяц) количество пор и их размер значительно возросли. Объяснить это можно увеличением пересыщения жидкого металла ванны водородом, попадающим в неё с каплями расплавленного электрода.

После захвата зубчатым фіронтом кристаллизации газового пузырька он может продолжать увеличивать размер за счет атомарной диффузии водорода из малоподвижного, локально пересыщенного металла, прилегающего к фронту кристаллизации.

В работе [43] показано, что рост газового пузырька будет происходить в момент остановки роста кристаллов, продолжительность которой зависит от интенсивности отвода скрытой теплоты кристаллизации и теплоты перегрева, т. е. от режима наплавки. Для алюминия и его сплавов продолжительность остановки может достигать 0,4- 0,6 с, что позволяет вырасти пузырьку до определенных

Рис. 9.29. Макроструктура наплавленного металла порошковым электродом после прокалки (а) и вылеживания в течение месяца (б)

размеров.

В соответствии с работой [79J отрывной диаметр пузырька может быть определен по зависимости:

(9.119)

где © - краевой угол смачивания, град.

Принимая © - 100°, ст - 480х10э н/м, сж - 2300 кг/м3, g - 9,8 м/с2 и рг» 0, получим величину d0» 0,002 м, т. е. диаметр пузырька, “сидящего” на фронте кристаллизации, может достигать значительных размеров, что подтверждается рис. 9.29,6.

При использовании порошкового электрода с Кг - 0,4 и размером частиц 0,01-0,012 см исходная концентрация водорода в сварочной ванне будет достигать величин порядка 1,8-2,2 смэ/100 г. Большая степень пересыщения металла ванны водородом приведет к интенсивному увеличению количества и размера газовых пузырьков по всему объему ванны. Пористость наплавленного металла в этом случае значительно возрастает (рис. 9.30)

Для уменьшения пористости наплавленного металла необходимо, в соответствии с изложенной выше моделью порообразования и рисунками 9.24-9.27, подбирать режимы наплавки, обеспечивающие всплывание пузырьков на

поверхность ванны.

К сожалению, в реальных условиях наплавки такие режимы могут быть нерациональны (скорость наплавки необходимо брать низкую, напряжение на дуге - высокое, сварочный ток небольшой). Поэтому, наряду с регулированием гранулометрического состава порошкового электрода, коэффициента заполнения, оптимизации режимов наплавки, необходимо изыскать и другие способы уменьшения пористости.

Одним из наиболее перспективных способов борьбы с пористостью является интенсификация процесса объединения (коалесценции) мелких газовых пузырьков в более крупные полости, что резко (скачкообразно) повышает скорость их всплывания [107, 135]. Полученное в этих работах расчетное уравнение для определения числа N последовательных коалесценций пузырьков радиусом г. с пузырьком начального

tt-L,

радиуса г0 за время существования ванны ( у ) позволяет

С

определить его размер по зависимости:

г-^Г (9.120)

Проблема использования этой формулы связана с трудностью определения N, поскольку необходимо учитывать многие факторы, влияющие на него: различие скоростей всплывания пузырьков различных размеров, турбулентность и градиент скорости течения металла и др. Выполненные расчеты показывают, что число N может изменяться в значительном диапазоне (от ЗО до 14103) и определяется, в основном, шероховатостью поверхности свариваемых кромок.

При выводе расчетных зависимостей для определения ^авторы не учли многие факторы сложной картины поведения пузырьков в сварочной ванне (см. предыдущий раздел). Наибольший вклад в развитие размеров пузырьков вносит процесс их всплывания под действием сил гравитационного поля. Как было установлено в работах [79, 80], пузырьки в
процессе движения ведут себя не как жёсткие объекты, а совершают радиальные пульсации с частотой

(9.121)

где /с - частота собственных колебаний, 1/с;

_ р

~ г - относительная теплоемкость газа;

V

Сю - теплоемкость газа при постоянном давлении и объеме, Дж/град;

Р0 - давление в пузырьке, МПа; рж - плотность жидкости, кг/м3.

Очевидно, что с увеличением амплитуды пульсаций пузырьков будут интенсифицироваться процессы их коалисценции и, следовательно, дегазация ванны.

Если воздействовать на жидкий металл меняющимся по частоте внешним давлением, то можно добиться явления резонансного колебания пузырьков и резко увеличить амплитуду его колебаний. Этот процесс реализован при конверторном производстве стали [87].

Амплитуда колебаний газового пузырька в сварочной ванне при воздействии на нее естественного или вынужденного изменения давления дуги с частотой/а, может быть определена по зависимости [108,109]:

(9.122)

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от вязкости жидкости;

Р^ - амплитуда изменения давления дуги, МПа; г - текущий радиус газового пузырька, м; fd - частота изменения давления дуги, 1/с;

5 - коэффициент затухания колебаний.

Из анализа формулы (9.122) очевидно, что при
сближении частот /э и fc величина (Jc2//э2 - 1) стремится к нулю, что характерно для явления резонанса, т. е. амплитуда пульсации пузырьков резко увеличивается. Радиальная пульсация пузырьков способствует активизации диффузии водорода из расплава ванны в пузырек и, следовательно, ускоряет его рост. Вторым важным результатом пульсирующего воздействия дуги на сварочную ванну является возникновение между пульсирующими газовыми пузырьками сил взаимодействия - сил Бъеркенса [108, 109], вызывающих их коалесценцию:

г_ *1 r гг COS*

где /с1, /с2 частоты собственных колебаний взаимодействующих пузырьков, 1 /с;

/ - расстояние между пузырьками, м; ф угол сдвига по фазе между колебаниями взаимодействующих пузырьков, град;

- коэффициент пропорциональности.

Из уравнения (9.123) видно, что если пузырьки колеблются в противофазе (ф= я), то сила взаимодействия между ними будет отрицательна и пузырьки отталкиваются друг от друга. При синфазных колебаниях (ф - 0) сила F положительна и способствует взаимопритяжению пузырьков.

При совпадении частот собственных колебаний пузырьков с частотой пульсации давления дуги сила притяжения между пузырьками резко возрастает. Расстояние между пузырьками, при котором возможна коалесценция, на один-два порядка больше радиуса пузырей. В соответствии с формулой (9.120) число последовательных коалесценций N возрастает также практически на один-два порядка, что приведет к скачкообразному увеличению размеров пузырьков и их всплыванию с большой скоростью.

Таким образом, одним из эффективных способов уменьшения пористости наплавленного металла может быть использование пульсации давления дуги на сварочную ванну, т. е. использование импульсно-дугового процесса.

При этом необходимо учесть, что в сварочной ванне одновременно находятся газовые пузырьки различных размеров, которые имеют свои собственные резонансные частоты пульсаций. В связи с этим оптимальная частота пульсаций дуги, дающая наибольший эффект по дегазации ванны, должна представлять собой некоторую осредненную величину, точное значение которой чрезвычайно сложно рассчитать из-за большого количества определяющих ее факторов и неясности влияния каждого из них на конечный результат. На данном этапе разработки механизма дегазации ванны целесообразно производить поиск оптимальной частоты пульсации путем проведения опытных наплавок с использованием математической теории планирования эксперимента и обработки результатов. Именно такой подход был сделан авторами при разработке промышленной технологии наплавки поршней.

В качестве иллюстрации эффективности использования пульсации дуги на дегазацию сварочной ванны приведены фотографии макроструктуры наплавленных валиков (рис. 9.31).

Наплавка проводилась порошковой лентой (плющенкой) ПЛ-МА-6 на трубчатые образцы из поршневого сплава АЛ 25, в которых были сделаны специальные канавки, применяемые при изготовительной и ремонтной технологии упрочнения поршней. В качестве источника питания для импульсно-дуговой наплавки использовался ВДГИ-301-УЗ. Режим наплавки, имитирующий процесс упрочнения поршней в зоне верхнего компрессионного кольца, был следующим: базовый ток 1а 260-280 А; напряжение на дуге - Ud = 19-21 В; скорость наплавки Vcj 27 м/ч; ток импульса 1имп 750 А;

длительность импульса - т^ - 1,5-10 3 с; частота следования импульсов - v = 100 Гц.

Второй вариант наплавки проводился на режиме: 1а = 230-250 А; У,-20-22 В; V =19м/ч;/ =800А;т = 1,7-10 3с;

о св ' имп имя

v= 100 Гц.

Как видно из рис. 9.31, пористость наплавленного металла в нижней и средней части валика отсутствует. Довольно крупные поры, образовавшиеся вследствие коалесценции газовых пузырьков, расположены в верхней части валика, которая при последующей механической обработке удаляется.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что предложенная модель порообразования при наплавке алюминия и его сплавов отражает реальную картину протекающих процессов в сварочной ванне и может быть использована при разработке как наплавочных материалов, так и технологии наплавки.