Взаимодействие металла сварочной ванны с водородом. Образование пористости в шве.

1. Общие сведения.

В процессе получения неразъемного соединения методами сварки с местным расплавлением задачей сварщика является получение металла шва с заданными свойствами. С этой целью в процессе сварки осуществляют металлургическую обработку сварочной ванны: дегазацию, рафинирование, легирование. Также нужно обеспечить кристаллизацию металла шва в определенных условиях, таких чтобы не образовывались внутренние дефекты: поры или трещины.

Поры или несплошности бывают следующих видов:

- газовые поры, газо-усадочные поры, рыхлоты, течи.

Образование пор может привести к снижению механических свойств, иногда – к потере герметичности (если поры выстраиваются в виде цепочки, и между ними могут быть каналы). Нарушение герметичности также может быть связано с образованием разветвленных неправильной формы несплошностей, которые принято называть рыхлотами или течами. Этот вид пористости наиболее опасен, так как может привести не только к потере герметичности, и в то же время может служить концентратором напряжений, в связи с чем конструкция в процессе эксплуатации может разрушиться хрупко. Все виды пористости по размерам, форме и расположению в сварном соединении регламентируются правилами приемки. При сварке стараются создать условия, при которых пористость в сварной конструкции была бы минимальной.

Пористость обычно выявляют с помощью рентгеновского просвечивания сварных соединений. Наличие рыхлот и течей определяют с помощью различных проб (например: керасино-меловой пробы), либо с помощью испытаний на герметичность.

Причины образования пористости могут быть:

1) газы, попадающие из окружающей среды в сварочную ванну,

2) газы, попадающие в сварочную ванну с поверхности присадочного металла или из флюса,

3) газы, имеющиеся внутри расплавляемого основного и присадочного металла.

При сварке алюминиевых сплавов пористость в основном вызвана водородом.

Водород может присутствовать:

1) в растворенном (атомарном) виде

2) в молекулярном виде (в пузырьках)

3) в связанном виде (в виде химических соединений)

При сварке плавлением алюминия и его сплавов водород может вызвать пористость в металле шва и высокотемпературной области зоны термического влияния (ВТО ЗТВ) (ВТО ЗТВ – участок, прилегающий к металлу шва, где температура нагрева выше неравновесного солидуса).

Образование пор может быть вызвано:

1) выделением газов из пересыщенных растворов;

2) выделением газов в результате развития химической реакции;

3) механическим замешиванием газов

4) поступлением газов из несплошностей основного и присадочного металла.

1.1. Выделение газов из пересыщенных растворов.

Выделение водорода в виде газовых пузырей из жидкого металла возможно при формировании пересыщенного раствора. Последнему способствуют свойства алюминия, а именно – изменение растворимости в нем водорода в зависимости от температуры (рис. 1) и особенности процесса сварки, заключающиеся в нагреве и охлаждении металла в зоне сварки.

При нагреве из-за повышения растворимости водорода в алюминии с увеличением температуры создаются условия для перехода водорода в сварочную ванну при достаточном содержании водорода или паров воды в среде, контактирующей с жидким металлом, по реакциям:

(1)

(2)

Константы равновесия рассматриваемых реакций:

и

где: и - равновесные концентрации водорода в металле;

и - соответствующие им равновесные парциальные давления водорода и паров воды в контактирующей среде.

Если действительное парциальное давление водорода или паров воды в контактирующей среде будет выше равновесных для данной температуры

или

то будет наблюдаться переход водорода в жидкий металл и формирование газовых пузырей. Полнота развития указанных реакций, которые относятся к классу гетерогенных реакций, зависит от величины площади поверхности раздела фаз, а также скорости доставки и отвода реагирующих веществ из зоны реакции.

Следует отметить, что образование газовых пузырей в результате выделения водорода из расплава возможно только при наличии в расплаве зародыша критического размера. Как показывают расчеты и исследования, гомогенное образование зародыша пузыря маловероятно. По этой причине введение в жидкий металл примесей облегчает образование зародышей (гетерогенное образование зародышей). Особенно гетерогенное образование зародышей газовых пузырей облегчается, когда примеси не смачиваются жидким металлом, в этом случае зародыши формируются при малом пересыщении металла водородом.

1.2. Выделение газов в результате развития химических реакций.

Основным источником водорода в сварочной ванне, является влага на поверхности свариваемых деталей и сварочной проволоки.

При сварки такого материала с поверхности кромок будут последовательно выделяться следующие газы:

100oC

Al(OH) ₃ x nH ₂ O + Al ^______® Al(OH) ₃ + n H ₂ O + Al (4)

350 – 400 oC

2Al(OH) _{3 +} Al ^{_________________}® 2AlOOH + H ₂ O + Al (5)

 

550 – 650 oC

 

2AlOOH ^____________®Al ₂ O ₃ + H ₂ O ₊ Al + H ₂ (6)

6H ₂ O + 4Al ^{_______________}®2 Al ₂ O ₃ +6 H ₂ (7)

 

Поэтому, для того чтобы предотвратить попадание водорода с поверхности кромок в шов осуществляют шабрение свариваемых кромок непосредственно перед сваркой.

1.3. Механическое замешивание газов.

Механическое замешивание газов в сварочную ванну возможно из-за смыкания кромок перед сварочной ванной.

В некоторых случаях на участке А в результате теплового расширения и деформации металла возможно смыкание кромок и образование замкнутых газовых полостей, которые и могут служить источником пор в металле шва.

 

1.4. Поступление газов из несплошностей основного и присадочного металла.

Газовые пузыри в сварочной ванне могут сформироваться, минуя стацию образования зародыша, если в исходных материалах (основном металле, электродной или присадочной проволоке) имеются микронесплошности, заполненные газом. В этом случае в процессе сварки в результате расплавления основного, электродного или присадочного металла, газ, содержащийся в микронесплошностях, попадает в сварочную ванну в виде газовых пузырей.

Источником микронесплошностей, заполненных газом, в исходных материалах в основном являются первичные несплошности, формирующиеся в процессе кристаллизации слитков, из которых изготавливают основной металл и сварочную проволоку. Как показывает практика, почти всегда в слитках металлов и сплавов имеются рассеянные макро- и микронесплошности газового или усадочного происхождения. Установлено, что эти дефекты заполнены молекулярным водородом. В процессе переработки слитков путем пластической деформации (прессования, прокатки, ковки и др.) не всегда удается полностью ликвидировать несплошности, сформировавшиеся в процессе кристаллизации слитка. В результате этого поступающие для изготовления сварных конструкций полуфабрикаты (листы, профили и др.) могут иметь микронесплошности, заполненные водородом. Установлено, что имеющийся в основном металле молекулярный водород приводит к образованию пористости не только в металле шва, но и в металле высокотемпературной области зоны термического влияния. В некоторых случаях водород, содержащийся в микронесплошностях, вызывает расслоение металла в глубинных слоях зоны термического влияния.

Помимо пор, водород, собирающийся в микронесплошностях, может привести к формированию зародышей трещин и развитию трещин вследствие значительных напряжений, возникающих из-за выделения молекулярного водорода: например, при степени пересыщения [Н]_д/[Н]_р = 100, в порах возникает давление {Рн₂}_д= 10000 атм. В области поринки металл находится в сложном напряженном состоянии, и в зависимости от свойств в этой зоне может произойти разрушение. Условия при которых происходит разрушение можно определить используя теорию хрупкого разрушения Гриффитса.

При приложении сил, создающих в однородном теле напряжения s, рост уже имеющегося зародыша трещины (с). При этом объемная упругая энергия будет уменьшаться, а величина поверхностной энергии будет увеличиваться.

Рассматривая баланс этих величин, получают общую формулу Гриффитса:

s_кр = к×(Е × g/с)^0,5 (12)

где: s_кр - критическое напряжение, при котором начинается рост зародыша трещины размерами с, Па;

с – размер трещины;

g - величина поверхностной энергии;

Е - модуль упругости, МПа;

к - коэффициент.

Следовательно, зародыш трещины может развиться в трещину если действующие напряжения больше критических: s_д> s_кр.

Поскольку на размер зародыша повлиять нельзя, то нужно стремиться к уменьшению уровня напряжений, воспринимаемых конструкцией (s_д), в свою очередь определяемых содержанием водорода в микронесплошностях.

1.5. Способы снижения содержания водорода в сварочной ванне.

Существует несколько способов снижения содержания водорода в сварочной ванне:

1) уменьшение адсорбированной влаги;

2) воздействие на процессы в сварочной ванне;

Уменьшение адсорбированной влаги достигают:

1) за счет использования прокалки электродов и флюсов;

2) за счет применения обработки свариваемых поверхностей;

3) путем регламентации условий хранения;

4) использованием рациональной геометрии соединения;

5) применением присадочной или электродной проволоки рационального диаметра.

 

2. Цель работы

Целью настоящей работы является исследование влияния молекулярного водорода, содержащегося в алюминиевых сплавах, на образование пор.

Материал для исследования и объем работы назначает преподаватель. Рекомендуется использовать алюминиевые сплавы с различной склонностью к образованию пор в зоне сварного соединения, например, прессованные или прокатанные порошковые сплавы.

 

3. Методика проведения работы.

Чтобы иметь представление о качестве основного и присадочного металла осуществляют тепловую пробу МАТИ, позволяющую выявить суммарное содержание газов, имеющихся в свариваемом металле (так называемые «наследственные газы»).

Тепловая проба позволяет оценить изменение плотности исходного материала при нагреве из-за изменения его объема под воздействием молекулярного водорода, находящегося в несплошностях под давлением. Обычно результаты тепловой пробы выражают в виде суммарного объема несплошностей, отнесенных к 100 г металла

( см³/100 г).

Поскольку используемые в промышленности алюминиевые сплавы отличаются друг от друга как по температуре плавления, так и характеру изменения свойств в этом интервале, то для каждого сплава температуру нагрева для проведения тепловой пробы определяют экспериментально. С этой целью проводят серию испытаний образцов, нагревая их до различной температуры. Выдержку при температуре нагрева сохраняют постоянной (обычно или 15 или 20 мин). После охлаждения образцов на воздухе определяют в них суммарный объем несплошностей. Экспериментальные данные оформляют в виде графика (рис.5)

 

 

Рис.5 Изменение суммарного объема несплошностей () в металле после нагрева в изотермических условиях при различной температуре (время выдержки при температуре нагрева одинаковое)

Т_с – температура солидуса сплава;

Т_к – температура, при которой твердо-жидкий металл теряет упругие свойства;

Т_п – температура тепловой пробы.

 

Из анализа кривой изменения суммарного объема несплошностей () следует, что в области температур (Т_с- Т_к) наблюдается большое изменение , что связано со значительным изменением упруго-пластических свойств металла в этой области. Обычно температуру для тепловой пробы (Т_п) назначают на 5¸10^° выше Т_к.

Для проведения пробы из исследуемого материала вырезают не менее двух образцов размером 20´20´d (d - толщина материала; для указанного размера образца толщина материала не более 8 мм). Образцы обезжиривают, после этого путем последовательного взвешивания образцов на воздухе и в дистиллированной воде определяют исходный удельный объем металла. При взвешивании образцы закрепляют на весах с помощью тончайшей подвески (рис.6).

 

 

 

Рис.6. Схема взвешивания образца в дистиллированной воде; 1-подвеска; 2-образец тепловой пробы; 3- сосуд с дистиллированной водой.

Взвешивание образцов производят на аналитических весах. Результаты взвешивания вносят в табл.1. В процессе взвешивания необходимо регистрировать температуру в зоне взвешивания, так как плотность дистиллированной воды зависит от температуры (табл.2). Взвешивание повторяют в той же последовательности после нагрева образцов.

Образец взвешивают на воздухе и в дистиллированной воде, данные заносят в

табл. 3. После этого расчетным путем определяют плотность металла шва на воздухе и в дистиллированной воде, данные также заносят в табл. 3. После этого расчетным путем определяют плотность металла шва и ВТО.

Полученные данные сопоставляют с данными тепловой пробы и исследования структуры металла в зоне переплавки.

 

2. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

В отчете необходимо привести следующие данные:

1. Цель работы и ее теоретические предпосылки.

2. Характеристику исследуемых материалов.

3. Краткую методику проведения работы.

4. Результаты исследования.

5. Анализ полученных данных и выводы.

 

Контрольные вопросы.

1. Механизм формирования пористости при ДЭС.
2. Выделение газов из пересыщенного раствора в процессе сварки.
3. Причины образования пор, течей.
4. Способы борьбы с пористостью при ДЭС.
5. Методика определения суммарного содержания газов в основном металле, в шве и околошовной зоне.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ:

Таблица 1.

№ образца	Д о н а г р е в а	П о с л е н а г р е в а
,	,	,	,	,	,	,	,	,	,

Примечание:

, - вес образца соответственно на воздухе и в дистиллированной воде;

, - объем образца до нагрева и после нагрева;

, - удельный объем металла образца до нагрева и после нагрева.

 

Таблица 2.

Температура,		16,5								23,5
;	1,0010	1,0011	1,0012	1,0014	1,0016	1,0018	1,0020	1,0022	1,0024	1,0025	1,0026

 

Таблица 3.

№ образца	Металл до нагрева	Металл после тепловой пробы
			,

 

Примечание:

, - вес металла соответственно на воздухе и в дистиллированной воде;

, - вес металла соответственно на воздухе и в дистиллированной воде после тепловой пробы;

;;;

V₀ -объем идеально плотного металла весом Р₁ = - см. табл. 1.