СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Влияние пористости на механические свойства наплавленного металла

В литературе отсутствуют систематические данные о влиянии пористости на механические характеристики наплавленного металла, что не позволяет судить о мере ответственности этого дефекта за эксплуатационную надежность наплавленных поршней. Можно лишь предположить, что с увеличением объема несплошностей (т. е. пористости) деформационная податливость и, следовательно, формоизменение канавки будет увеличиваться, а прочностные характеристики снижаться.

Чтобы оценить степень влияния пористости металла на его прочностные свойства, были проведены специальные исследования.

Сварные соединения (наплавка) выполнялись на пластинах размером 250x120x14 мм из поршневого алюминиевого сплава марки АЛ 25. Наплавка производилась на лабораторной установке, включающей подающую головку для порошковой проволоки, горелку, механизм перемещения головки, пульт управления. В качестве источника питания использовался ВДГИ-302УЗ. В пластинах выполнялись продольные канавки специального профиля, в которые и производилась наплавка (см. рис. 9.6).

Пластины наплавлялись порошковой лентой марки ПЛ-МА-6 различного гранулометрического состава (см.

далее), позволяющего регулировать пористость в металле наплавки.

Учитывая, что упрочнённая зона поршня подвергается значительному нагреву, представляет интерес изучить поведение пористого металла при повышенных температурах.

Образцы для испытаний на статическое растяжение (рис. 9.7) вырезались из сварных (точнее наплавленных) пластин (рис. 9.6) поперек шва. Для локализации места разрушения по шву в образце выполнялись выкружки в соответствии с ГОСТом 6996-66 (тип XXI, рис. 34).

Аналогично подготавливались и испытывались и

ударные образцы (тип У1, рис. 5).

Оценку степени влияния пористости на статическую и ударную прочность удобнее проводить, пользуясь относительными характеристиками:

KCU = KCU<

кси.

где аж, ам - предел прочности сварного шва и основного металла, МПа;

KCUc, KCUo - ударная вязкость сварного шва и основного металла, Дж/см2.

Испытания проводились при двух температурах - 293 К (20 °С) и 523 К(250 °С).

На рисунке 9.8 приведены результаты статического растяжения. Видно, что относительная прочность шва уменьшается с увеличением показателя пористости. Швы с минимальной пористостью ( П < 0,4 см3/100г) имеют предел прочности близкий к основному металлу ( ам-235 МПа при Г=293 К и 128 МПа при Г=523 К).

Интересно отметить, что относительное снижение прочности сварных образцов при испытаниях при повышенной температуре несколько меньше, чем при нормальной температуре. Это можно объяснить более высокой пластичностью металла при Т-523 К и меньшей его чувствительностью к концентраторам напряжений (порам).

Анализ образцов после механических испытаний на
статическое растяжение показал что их разрушение происходило по шву в месте наибольшего скопления пор, как правило ближе к линии сплавления.

Испытаниями на ударный изгиб установлено, что относительная величина ударной вязкости с увеличением пористости снижается, хотя темн снижения с ростом пористости при различной температуре испытаний носит довольно противоречивый характер (рис.9.9).

Так при малой пористости (Я < 0,4 см3/100 г) с ростом температуры ударная вязкость повысилась, что объясняется повышением пластичности металла шва и слабым влиянием мелких пор на потерю пластичности.

Количественно пористость можно оценить такими показателями (для первого и второго способов оценки):

При более высокой пористости (Я = 1,4 см3/100 г) ударная вязкость уменьшилась до 78% при Г= 293 К и до 59% при 523 К. Следовательно, работоспособность наплавленного металла при повышенной температуре, наличии пористости и ударном воздействии значительно ниже основного металла.

Поскольку наплавленный метал поршня в зоне первого компрессионного кольца испытывает циклические (усталостные) воздействия, то были проведены усталостные испытания образцов при знакопеременном плоском изгибе на

Рнс. 9.10. Результаты усталостных испытаний обраацов при изгибе: 1 - ОМ; 2- наплавленный образец с П< 0,3 см1/!00 г; 3- наплавленкый образец с 17= 1,4 см1/! 00 г

установке, схема которой показана на рисунке 9.10.

Образцы вырезались из таких же пластин, как и предыдущие, однако размеры сечения образцов были больше (14x50 мм). Чтобы избежать зарождения трещины в месте перехода наплавленного металла к шву из-за геометрического концентратора напряжений, усиление шва снималось заподлицо с помощью фрезеровки. Из-за сложности поддержания повышенной температуры образцов испытания проводились только при Г-293 К.

Как видно из рис. 9.10, пористость влияет также и на ограниченную выносливость (физический предел выносливости не достигался) при максимальном числе циклов нагружения, равном 4-Ю5. При большой пористости кривая усталости расположена ниже, что указывает на инициацию порами зарождения и интенсивное развитие усталостных трещин.

Таким образом, приведенные результаты испытаний свидетельствуют о заметном влиянии пористости наплавленного металла на его механические характеристики при всех видах нагружения. Есть основание прогнозировать отрицательное влияние пор на работоспособность и при более сложных воздействиях на металл (циклическое изменение температуры и нагружения, коррозионная среда и т. д.), которое наблюдается в сопряжении кольцо - канавка поршней ДВС. Из этого вытекает необходимость исследования механизма образования пор при наплавке и изыскания путей ее уменьшения.

О причине образования пористости при наплавке встречаются различные точки зрения. По существу они сводятся к двум различным трактовкам механизма зарождения газовых пузырьков в расплаве сварочной ванны.

На основании анализа литературных данных [42-52] можно сделать вывод о двух основных причинах образования пор в наплавленном металле. Многие авторы связывают появление пор с растворёнными в жидком металле сварочной ванны газами или газами химических реакций, происходящих в ванне. С этой точки зрения, обязательным условием зарождения газовых пузырьков является пересыщение жидкого металла газами. Зародыши могут возникать как по всему объему сварочной ванны до начала ее кристаллизации при условии объемного пересыщения газами и наличии в ней несмачиваемых поверхностей раздела, так и в области, непосредственно примыкающей к границе сплавления, где создается локальное пересыщение жидкого металла водородом за счет термодиффузионных процессов и различной

растворимости его в твердом и жидком металле.

Сторонники второй гипотезы считают, что главной причиной образования пор в шве при сварке и наплавке является проявление механизма зарождения газовых пузырьков в сварочной ванне на поверхности раздела перед фронтом плавления (на кромках) или непосредственно на фронте кристаллизации металла ванны за счет явления пиролиза загрязнений, разложения влаги и диффузионных процессов на границе раздела [53-57].

Кроме двух упомянутых механизмов образования газовых зародышей, могут иметь место и частные механизмы образования пор, связанные с зарождением газовых пузырьков на наследственных дефектах наполнения порошковых электродов с последующим их попаданием в каплю жидкого металла и переноса последней в сварочную ванну [58-60].

По-видимому, при наплавке алюминиевых поршней может реализовываться любой из рассмотренных механизмов образования газовых зародышей, причем при некоторых условиях одновременно.

Дальнейшее развитие газовых зародышей до пузырьков контролируемых размеров происходит за счет различных факторов и прежде всего за счет диффузии в них растворённого в жидком металле водорода и газов химических реакций, происходящих на поверхности раздела газ-жидкий металл. Можно высказать предположение, что развитие газового пузырька при наплавке алюминиевых поршней, металл которых содержит легко испаряющиеся элементы (магний, марганец, цинк), будет происходить вследствие перехода их паров в полость пузырька.

Вероятность образования в наплавленном металле пористости зависит от многочисленных факторов: технологических (режим наплавки, способ и вид подготовки канавки под наплавку и др.), типа электродной проволоки (сплошного сечения, порошкового, круглого или прямоугольного сечения и т. д.), типа источника питания и т. п.

Общепризнанными методами борьбы с пористостью при наплавке алюминиевых поршней являются такие как уменьшение содержания влаги в защитном газе, дегазация порошковой проволоки путем прокалки, увеличение толщины оболочки порошкового электрода, обезжиривание и тщательная обработка кромок наплавляемых канавок и тд.

Вместе с тем следует отметить, что механизм порообразования в наплавленном металле остается далеко не раскрытым, что объясняется скоротечностью протекающих в сварочной ванне процессов, отсутствием достоверных сведений о поведении газового пузырька в жидком металле в условиях больших градиентов температуры и скорости его движения.

Все изложенное показывает, что пористость наплавленного металла в зоне первой кольцевой канавки поршня может быть серьёзным препятствием для использования эффективных материалов и технологических приемов упрочнения, особенно для промышленных условий.