Что необходимо сделать если наплавленный металл пористый

Обновлено: 04.10.2024

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

Рис.9.23. Результаты расчета траектории газового пузырька в сварочной ванне (а — г0 = 0.3 мм; б — г, = 0.5 мм). 1 — фронт кристаллизации в исходном положении (—) и после перемещения за время t (— );

2 — граница ванны; 3 — траектория пузырька

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;

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

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

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)

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

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.

Рис. 9.30 — Макроструктура наплавленного металла при коэффициенте заполнения порошкового электрода К= 0,4 н грануляции шихты 0,012 см

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

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

радиуса г0 за время существования ванны ( у ) позволяет

определить его размер по зависимости:

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

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

~ г — относительная теплоемкость газа;

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]:

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:

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

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

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;

Рис. 9.31. Макроструктура наплавленных валиков при использовании импульсно-дугового процесса: а — изготовит ел ьная наплавка; б — ремонтная наплавка

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;

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.

Разработка способов борьбы с пористостью наплавленного металла

Рис.9.23. Результаты расчета траектории газового пузырька в сварочной ванне (а - г0 = 0.3 мм; б - г, = 0.5 мм). 1 - фронт кристаллизации в исходном положении (—) и после перемещения за время t (— );

2 - граница ванны; 3 - траектория пузырька

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;

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)

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

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.

Рис. 9.30 - Макроструктура наплавленного металла при коэффициенте заполнения порошкового электрода К= 0,4 н грануляции шихты 0,012 см

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.

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

~ г - относительная теплоемкость газа;

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

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

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:

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

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.

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;

Рис. 9.31. Макроструктура наплавленных валиков при использовании импульсно-дугового процесса: а - изготовит ел ьная наплавка; б - ремонтная наплавка

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

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.

Рис. 9.6. Схема вырезки образцов для мехиспытаний

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:

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).

Рис. 9.8. Влияние пористости на относительную прочность наплавленного металла: 1- Г=*=293 К; 2- 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).

Рис. 9.9. Влияние пористости на ударную вязкость наплавленного металла при различной температуре: 1- П< 0,4 см*/100 г; 2-П • 1,4

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 46 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 57.

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.

Пористость сварных швов

Одним из наиболее часто встречающихся дефектов сварных швов являются поры. Так как их появление часто провоцируется нарушениями технологии изготовления электродов, рассмотрим этот весьма сложный процесс, о механизме которого существуют различные точки зрения.

Возникновение пористости связано с образованием газовых пу­зырьков в жидкой сварочной ванне и фиксацией их в металле при его кристаллизации. В зависимости от конкретных условий причи­нами образования пористости могут явиться такие газы, как водо­род, азот и оксид углерода.

Возникновение и развитие пор определяется совместным дей­ствием всех газов, присутствующих в металле. Однако чаще всего основное влияние принадлежит какому-либо одному из перечис­ленных газов. Существенно также влияние физических свойств сварочных шлаков.

Ранее было отмечено, что вместе с ростом температуры жидкого металла количество растворенного газа возрастает. В области высо­ких температур (капли жидкого металла, головная часть сварочной ванны) количество растворенного газа может превысить его рас­творимость (то количество газа, которое растворяется в жидком металле при температуре плавления и внешнем давлении газа в 101 кПа). В результате сварочная ванна в ее хвостовой, менее на­гретой части окажется пересыщенной газом, особенно на границе с кристаллизующимся металлом.

Излишний по сравнению с равновесным содержанием газ будет выделяться из металла. При этом он способен создавать давление (давление выделения), превышающее атмосферное. Если выделе­ние газа в атмосферу с поверхности металла происходит легко, то образование и развитие газового пузырька внутри металла затруд­нено и требует затрат энергии.

Образование зародыша газового пузырька происходит легче всего на границе между жидкой фазой и кристаллизующимся твер­дым металлом. Особенно легко это происходит во время остановок кристаллизации, продолжительность которых для стали обычно не превышает 0,2 с. Дело в том, что в процессе кристаллизации про­исходит повышение концентрации газа в слое жидкого металла на его границе с образующейся твердой фазой. Во время движения фронта кристаллизации содержание газов в твердом металле становится равным его исходному содержанию в жидком металле. Так как растворимость газов в твердом металле меньше, чем в жид­ком, то при остановке кристаллизации газ, в первую очередь водо­род, из затвердевшего металла начнет диффундировать в жидкий металл. Учитывая, что слой жидкого металла уже пересыщен га­зом, вероятность возникновения стойкого зародыша в это время возрастает.

Дальнейшее развитие и рост зародыша будут происходить в том случае, если сумма давлений выделения всех газов, растворенных в металле, превышает атмосферное давление.

Рассмотрим условия возникновения пористости при сварке эле­ктродами с покрытиями различных видов. При этом объединим в одну группу электроды с покрытиями следующих видов: кислым, рутиловым, целлюлозным. Общим для таких покрытий является наличие органики, главным образом в виде целлюлозы, создающей достаточную газовую защиту от атмосферы воздуха и кислых окси­дов в количествах, обеспечивающих развитие умеренного кремне­восстановительного процесса, а также применение в качестве рас - кислителя главным образом ферромарганца.

Сумма парциальных давлений остаточного водорода, азота и ок­сида углерода в наплавленном металле существенно превышает ат­мосферное давление. Каким же образом пересыщение наплавлен­ного металла газами сочетается с возможностью получения беспо - ристых швов?

Прежде всего, следует отметить, что жидкий металл, наплавляе­мый электродами этой группы, имеет при сравнительно высоких температурах повышенное содержание растворенного кислорода, что существенно снижает вязкость металла. Из трех рассмотрен­ных газов водород содержится в швах в большем количестве, и его парциальное давление, как правило, превышает атмосферное дав­ление. При этом диффузионная подвижность водорода в жидком металле на два-три порядка выше диффузионной подвижности азота, кислорода и углерода, необходимого для образования оксида углерода.

Приведенные особенности электродов рассматриваемой группы создают благоприятные условия для возникновения зародышей на фронте кристаллизации и их дальнейшего развития, главным обра­зом, за счет диффузии в них водорода.

В результате образующиеся газовые пузырьки растут быстрее, чем движется фронт кристаллизации. Пузырьки, достигнув опреде­ленного размера, отрываются и всплывают, что и обеспечивает отсутствие пористости в швах.

При введении в покрытие электродов сильных раскислителей (ферросилиций, алюминий, углерод) окислительный потенциал покрытия снижается. Это приводит к росту коэффициента перехо­да марганца из покрытия в наплавленный металл, к более интен­сивному развитию кремневосстановительного процесса или приро­сту кремния за счет его перехода из ферросилиция, вводимого в по­крытие. При этом изменяется также и химический состав образую­щегося шлака, а следовательно, и его свойства. В первую очередь повышается вязкость шлака, снижается его окислительная способ­ность и газопроницаемость.

Примерно к таким же результатам приводит прокалка электро­дов рассматриваемой группы при высоких температурах, превыша­ющих рекомендованные. Это снижает концентрацию влаги в по­крытии и вызывает обугливание органики. Все вместе взятое спо­собствует развитию кремневосстановительного процесса.

При повышенной концентрации кремний взаимодействует с кислородом, начиная с высоких температур. Это повышает вяз­кость и поверхностное натяжение жидкого металла. Кроме того, кремний затрудняет выделение водорода из металла. В результате образование и рост газовых пузырьков происходит вяло. Металл кристаллизируется быстрее, чем растут пузырьки газа, и в металле возникает внутренняя пористость.

В связи с повышением вязкости шлака может возникнуть также большая наружная пористость. Чаще всего это бывает, когда вяз­кий шлак покрывает ту часть сварочной ванны, в которой происхо­дит образование газовых пузырьков. Густой шлак задерживает об­разовавшиеся пузырьки газа на границе металл — шлак и не позво­ляет им выделиться в атмосферу.

Для предупреждения возможности образования пор при сварке электродами рассматриваемой группы необходимо:

• при изготовлении — строго соблюдать рецептуру покрытия и требования технической документации к компонентам и техно­логии изготовления, обращая особое внимание на соблюдение предусмотренных режимов прокалки;

• при применении — строго выдерживать предписанные режимы силы сварочного тока. В случае чрезмерного увлажнения произ­водить дополнительную прокалку в соответствии с технической документацией.

Сварку рекомендуют производить через 2-3 дня после прокал­ки с целью стабилизации влажности покрытия электродов в усло­виях цеха.

При сварке электродами с покрытием основного вида карбо­наты, содержащиеся в таких покрытиях в больших количествах, при высокой температуре разлагаются с выделением углекислого газа. При сварке короткой дугой обеспечивается достаточно мощ­ная защита сварочной ванны от воздействия воздуха, в связи с чем содержание азота в швах обычно не превышает 0,02%. Так как в со­став покрытия электродов входят сильные раскислители (кремний, титан), наплавленный металл по типу относится к спокойной стали с концентрацией кремния 0,2-0,4%. Поэтому содержание общего кислорода, связанного главным образом с кремнием, обычно нахо­дится в пределах 0,02-0,04%.

Температура прокалки электродов с покрытием основного вида достигает 380-420 °С.

Учитывая низкое содержание в покрытии пластификаторов, имеющих в своем составе связанную влагу, содержание в швах сум­марного водорода, как правило, не превышает 6-8 мл/100 г. Каза­лось бы, пористость в таких швах должна всегда отсутствовать. Од­нако на практике нередки случаи получения пористых швов. Рас­смотрим возможные причины их образования.

При сварке длинной дугой в атмосферу зоны сварки проникает воздух, а, следовательно, и азот, который в существенном количе­стве может раствориться в жидком металле при высокой темпе­ратуре.

При охлаждении жидкого металла до температуры кристалли­зации'растворимость азота резко снижается, и металл на фронте кристаллизации может оказаться пересыщенным этим газом. Так как скорость кристаллизации будет превышать скорость роста пузырьков, в сварных швах появятся поры.

При сварке электродами с увлажненным покрытием в атмо­сфере дуги появятся пары воды, диссоциация которых сопровож­дается появлением атмосферного водорода. В этом случае жидкий металл на фронте кристаллизации может быть пересыщен водоро­дом. В связи с медленным ростом пузырьков кристаллизующийся металл их зафиксирует, и в сварных швах появится пористость.

При сварке по окисленным, ржавым поверхностям возможно местное пересыщение металла как кислородом, так и водородом. Пористость возникает на фронте кристаллизации в результате

образования пузырьков газа как за счет водорода, так и за счет оксида углерода.

С целью снижения чувствительности электродов с основным покрытием к пористости при их изготовлении следует жестко огра­ничить введение в покрытие минеральных и органических пласти­фикаторов, содержащих соединения водорода, трудноудаляемые в процессе прокалки. Режимы прокалки должны полностью соответ­ствовать требованиям технической документации.

Сварку необходимо выполнять только по зачищенным поверх­ностям, на токовых режимах, соответствующих указаниям доку­ментации. Перед употреблением электроды надо прокалить.

Меры предупреждения пористости. Исправление пористых швов

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

При изготовлении сварных конструкций борьба с пористостью сварных швов должна начинаться уже с первых стадий технологического процесса. Еще на складе должны быть приняты меры по защите металла от атмосферных осадков. После обработки детали должны быть очищены в местах сварки и вблизи них на расстоянии 20—30 мм от ржавчины, масла, краски и других загрязнений. Литые, подлежащие приварке детали, а также литье в местах дефектов, исправляемых сваркой, должны быть тщательно очищены от литейной корки и формовочной земли. Тонкий слой окалины после горячей прокатки удалять не обязательно, но окалина, остающаяся после нагрева для штамповки или отжига, должна быть удалена.

Производительным способом очистки металла является очистка пескоструйными аппаратами Однако она требует оборудования специальных камер и приводит к запылению производственных помещений. Применение этого способа следует считать наиболее рациональным для литых деталей (так как в литейных и обрубных цехах пескоструйная очистка является одной из операций технологического процесса), а также для очистки металла, пораженного ржавчиной по всей поверхности. Для очистки мест сварки применяются переносные наждачные круги и электрические щетки. Стационарные наждачные круги применяются для легких деталей, например, для очистки заготовок под наплавку инструмента.

Ржавчина, масло, краска, окалина могут выжигаться. Для этой цели применяются обычные паяльные лампы, горелки для газовой сварки, подогревательное пламя газовых резаков, а также специальные многопламенные горелки. Последние с успехом применяются для очистки краски с металла старых конструкций в ремонтных работах и при очистке окалины с крупных штампованных деталей (например, днищ котлов и цистерн). Ржавчина при этом прокаливается, а менее опасный сухой ее остаток так же, как и окалина, легко отделяется от металла, благодаря различию в коэффициентах линейного расширения.

Серьезное внимание должно быть обращено на упаковку и хранение проволоки, предназначенной для автоматической сварки и изготовления электродов. Ржавчина и другие загрязнения с электродных стержней удаляются в специальных вращающихся барабанах, в которые стержни загружаются вместе с сухим песком или древесными опилками. Опилки применяются для снятия тонкого слоя смазки, которым стержни неизбежно покрываются при правке и рубке проволоки на правильно-рубильных станках. При сильном загрязнении маслом обезжиривание производится бензином или раствором каустической соды с последующей тщательной промывкой в воде и просушкой. Очистка бухт проволоки для автоматической сварки при сильном ее загрязнении значительно сложнее. Очистку можно осуществить травлением в 10%-ном растворе серной кислоты (лучше подогретой) с последующей нейтрализацией в растворе едкого натра, тщательной промывкой в воде и сушкой. Небольшие местные загрязнения можно удалить вручную наждачной бумагой во время перемотки бухт проволоки для зарядки кассет сварочных автоматов. Институтом электросварки разработана специальная машина для этой цели. Очистку деталей в местах сварки лучше всего производить за несколько часов до сборки и сварки конструкции, в особенности, если готовые изделия хранятся в сырых помещениях или на открытом воздухе.

Вне зависимости от того, производилась ли очистка деталей до их сборки, сварщик должен внимательно осмотреть подлежащие сварке места и очистить их от загрязнений, ибо при длительном хранении собранные узлы могут заржаветь и загрязниться маслом. Очистка собранных и прихваченных узлов производится ручными стальными щетками, переносными наждачными кругами и электрическими щетками. Такая очистка менее эффективна, чем очистка отдельных деталей, так как ржавчина забивается в зазоры между деталями и благодаря значительному скоплению в отдельных местах может вызвать сильную пористость. В соединениях внахлестку ржавчина вообще не может быть удалена в месте соприкосновения собранных деталей. Поэтому после очистки необходимо тщательно продуть зачищенные места и зазоры между деталями сжатым воздухом. В собранной конструкции наилучшие результаты дает прокаливание ("выжигание") ржавчины пламенем газовой горелки. Им широко пользуются при автоматической сварке на монтаже. Полуавтоматическая сварка тонкой проволокой менее чувствительна к наличию ржавчины на свариваемых кромках и поэтому требует менее тщательной очистки металла. Достаточной оказывается обычная очистка металлической щеткой.

Применение двухслойной автоматической сварки, при которой первый слой шва, с целью выжигания ржавчины, сваривается на большой скорости, причем получается пористым, а второй слой дает окончательное сечение шва, нужно признать нерациональным, так как это резко снижает эффективность автоматической сварки, лишая ее одного из преимуществ — возможности однопроходной сварки швов больших сечений. Этот метод может быть оправдан в том случае, если на отдельных участках шва из-за повышенного зазора сварка производится первоначально на большой скорости, причем шов получается пористый.

С мест, подлежащих сварке, должна тщательно удаляться влага, а в зимнее время - снег и наледь.

Необходимо обратить серьезное внимание на контроль влажности электродных обмазок и флюсов согласно техническим условиям. Влажность флюсов не должна превышать 0.1%. Многие электродные обмазки обладают пониженной гигроскопичностью. Флюсы также поглощают влагу из воздуха. Поэтому их надо хранить в теплых сухих помещениях. Полезно иметь непосредственно в сварочных цехах небольшие электрические печи сопротивления для просушки электродов и флюсов перед их применением. При работе в полевых условиях сушку электродов и флюсов производят на жаровне, а также используют тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания передвижных сварочных агрегатов. Для этой цели на выхлопную трубу двигателя надевается специальное устройство. При изготовлении электродов необходимо, чтобы толщина слоя покрытия находилась в пределах допусков, так как недостаточное количество расплавленного шлака на шве не только не обеспечивает полноты протекания необходимых химических реакций между металлом и шлаком, но ведет также к ускоренному охлаждению шва. Необходимо строго контролировать температуру прокалки электродов.

Прихватка при сборке под автоматическую сварку должна производиться электродами марки Э-42, Э-42А, Э-50. Даже при сборке под ручную сварку прихватки необходимо выполнять электродами той же марки, которыми будут свариваться швы. Автоматическая сварка по ручной подварке электродами марки Э-34 во всех случаях, когда автоматный шов может частично переплавить металл ручного шва, недопустима.

При сварке для каждого материала должны применяться электроды, флюсы и проволока проверенных типов, а режимы сварки должны быть тщательно отработаны. Хорошо поставленный технический контроль основных и вспомогательных материалов способствует получению беспористых швов. В процессе сварки необходимо создать условия, обеспечивающие максимальное выделение газов из жидкого металла сварочной ванны до затвердевания металла шва. Это может быть достигнуто посредством замедления затвердевания жидкого металла и поддержания металла возможно' больше времени в жидком состоянии. Последнее можно осуществить достаточным прогревом основного металла. Для этого в большинстве случаев достаточна правильная техника сварки — соответствующие манипуляции концом электрода или горелкой, при которых получается хороший прогрев и провар кромок, подогрев затвердевающей части сварочной ванны, перемешивание металла в ванне.

Предварительный подогрев, проводимый при сварке и наплавке некоторых специальных, а также средне- и высокоуглеродистых сталей и при заварке дефектов стального и чугунного литья, наряду с предупреждением получения резких закалочных структур и образования трещин, способствует получению плотных швов. При наплавке инструмента и заварке дефектов литья рекомендуется применять ванный способ сварки, обеспечивающий получение плотных наплавок. При ручной сварке нужно следить за равномерным отложением шлака на шве. При автоматической сварке должна быть обеспечена равномерная засыпка флюса вдоль линии шва, так как при недостатке флюса дуга прорывается наружу, и шов становится пористым.

При дуговой сварке должна поддерживаться оптимальная для данной работы длина дуги, которая контролируется измерением напряжения на дуге. При газовой сварке должен поддерживаться требуемый характер пламени. При сварке в среде инертных газов весьма важным является контроль чистоты применяемых газов, их расхода и техники сварки.

Исправление пористых швов

Средства исправления швов, забракованных из-за их пористости, обычно определяются техническими условиями на изготовление отдельных видов продукции. При большом количестве пор, расположенных в виде сетки или строчки, швы, как правило, вырубаются и завариваются вновь. Ручная подварка дефектных мест без их вырубки не может обеспечить требуемой глубины проплавления, достаточной для ликвидации наиболее глубоко залегающих пор. Автоматическая подварка пористых швов без их вырубки допускается том случае, если режим обеспечивает необходимую глубину провара, а размеры шва после подварки находятся еще в пределах допусков. Для заварки одиночных пор рационально применять сварку электрозаклепками под флюсом, при которой можно достигнуть глубокого проплавления металла шва. Этот простой и производительный способ с успехом применяется на заводах, при изготовлении ответственной продукции (например, элементов сварных мостов).

Читайте также: