Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ В КОНСТРУКЦИЯХ СОВРЕМЕННЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 15
1.1 .Характеристика типовых сварных конструкций из алюминиево-литиевых сплавов 15
1.2. Сравнительная оценка прочностных и технологических свойств отечественных и зарубежных алюминиево-литиевых сплавов 20
1.3. Технологические проблемы получения качественных сварных соединений в конструкциях из алюминиево-литиевых сплавов 26
1.4. Обоснование цели и задач исследований 42
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА И КИНЕТИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ПОР В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ 44
2.1. Аналитическая оценка вероятности гомогенного и гетерогенного возникновения зародышей газовых пузырьков 44
2.2. Механизмы образования зародышей газовых пузырьков
при сварке плавлением алюминиево-литиевых сплавов 47
2.2.1. Образование зародышей газовых пузырьков на базе соединений поверхностного слоя АЛС 48
Термодинамический анализ взаимодействия компонентов АЛС с атмосферой нагревательных печей 51
Структура поверхностного слоя АЛС 62
Состав и кинетика газов, выделяющихся при нагреве АЛС .... 67
Влияние режимов, среды нагрева, среды охлаждения на толщину поверхностного слоя АЛС 71
2.2.2. Экзогенный механизм возникновения зародышей газовых пузырьков на базе дефектов торцевой поверхности кромок 74
Механизм образования закрытых газовых полостей на торцах свариваемых кромок алюминиевых сплавов 75
Химическое взаимодействие алюминиевых сплавов с парами воды и углеродосодержащими соединениями 86
Результаты экспериментальных исследований экзогенного механизма образования зародышей газовых пузырьков на базе дефектов торцевой поверхности кромок 87
2.2.3. Экзогенный механизм образования зародышей газовых пузырьков на базе дефектов структуры основного металла в виде первичных микропор и расслоений 103
2.2.4. Эндогенный механизм образования зародышей газовых пузырьков при сварке алюминиево-литиевых сплавов 114
2.3. Физико-химические закономерности процесса развития пузырьков в объеме сварочной ванны 127
Коалесценция газовых пузырьков в ванне жидкого металла 127
Диффузионный механизм объединения газовых пузырьков 133
Развитие газовых пузырьков за счет испарения летучих 134
компонентов алюминиево-литиевых сплавов 138
Результаты экспериментальных исследований механизмов развития пузырьков в ванне алюминиево-литиевых сплавов 142
2.4. Исследование механизма и кинетики пузырьковой дегазации ванны металла 149
Стадия отрыва 149
Стадия всплывания 151
Стадия перехода через зеркало ванны 154
Результаты экспериментальных исследований механизма и кинетики пузырьковой дегазации сварочной ванны алюминиевых сплавов 156
2.5. Образование газовых пор при кристаллизации ванны и кинетика поведения водорода в порах при остывании металла 163
Выводы к главе 2 169
Глава 3. ВЛИЯНИЕ ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И УСЛОВИЙ СВАРКИ НА РЕАЛИЗАЦИЮ МЕХАНИЗМОВ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАРОДЫШЕЙ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ 172
3.1. Влияние газосодержания и типа полуфабриката на реализацию механизмов образования зародышей газовых пузырьков при сварке АЛС 173
3.2. Влияние способа сварки на образование микропористости в зоне сплавления АЛС 184
3.3. Тепловое воздействие на металл околошовной зоны при сварке сплава 1420 различными способами сварки 189
3.4. Определение уровня остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях сплава 1420 196
3.5. Проявление экзогенного механизма образования зародышей газовых пузырьков при сварке плавлением сплава 1420 204
Выводы к главе 3 > 207
Глава 4. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕР ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ УЗЛОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ 208
4.1. Разработка технологии изготовления листов сплава 1420 с уменьшенной толщиной поверхностного слоя 208
4.2. Разработка процесса катодной очистки сжатой дугой кромок деталей АЛС перед сваркой 212
4.3. Разработка технологической пробы для оценки качества полуфабрикатов алюминиево-литиевых сплавов большой толщины 217
4.4. Совершенствование процесса автоматической дуговой сварки вращающимся электродом применительно к изготовлению конструкций из алюминиево-литиевых сплавов 224
4.4.1. Схема и основные параметры процесса сварки вращающимся электродом 224
4.4.2. Влияние вращения дуги на структуру и свойства сварных соединений сплавов 1420 и 1460 236
4.4.3. Оптимизация газовой защиты сварочной ванны при дуговой сварке алюминиево-литиевых сплавов 240
4.5. Разработка процесса электроннолучевой сварки алюминиево-литиевых сплавов сканирующим лучом несимметричного сечения 244
4.5.1. Схема процесса ЭЛС сканирующим лучом несимметричного сечения 244
4.5.2. Влияние сканирования луча несимметричного сечения на качество сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов 247
4.5.3. Дополнительные технологические возможности повышения уровня механических свойств сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов при ЭЛС 254
4.6. Совершенствование способа сварки сжатой дугой применительно к изготовлению узлов из алюминиево- литиевых сплавов 258
4.6.1. Основные схемы процесса сварки сжатой дугой алюминиевых сплавов 25 8
4.6.2. Свойства и структура сварных соединений АЛС, полученных сжатой дугой 267
4.7. Исследование технологии устранения дефектов сварных соединений АЛС 270
4.8. Разработка технологии сварки и исследование свойств сварных соединений разноименных алюминиево-литиевых сплавов 280
4.9. Результаты сравнительных исследований свойств сварных соединений российских и американских алюминиево-литиевых сплавов 284
4.10. Исследование особенностей формирования соединений из пористых металлических материалов 291
Выводы к главе 4 ; 298
Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 300
5.1. Технология электроннолучевой сварки силовых узлов планера летательного аппарата 301
5.2. Разработка технологии сварки тонколистовых ребристых панелей из высокопрочного алюминиево-литиевого сплава 1420 309
5.3. Разработка технологии сварки сжатой дугой соединений балок продольного силового набора 316
5.4. Разработка технологии изготовления герметичных емкостей 320
5.5. Технология изготовления корпусных деталей 324
5.6. Технологический процесс изготовления сварных фильтрующих элементов патронного типа из пористых металлических материалов 326
Выводы к главе 5 332
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 333
Список литературы 337
Приложения 367
- .Характеристика типовых сварных конструкций из алюминиево-литиевых сплавов
- Аналитическая оценка вероятности гомогенного и гетерогенного возникновения зародышей газовых пузырьков
- Влияние газосодержания и типа полуфабриката на реализацию механизмов образования зародышей газовых пузырьков при сварке АЛС
Введение к работе
Развитие научно-технического прогресса в авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности предусматривает разработку и внедрение новых конструкционных материалов и совершенствование технологии их обработки с целью повышения качества и эксплуатационной надежности изделий ответственного назначения.
К числу таких конструкционных материалов относятся алюминиево-литиевые сплавы, обладающие высокой удельной прочностью и получившие достаточное применение в отечественном и зарубежном авиастроении в последнее десятилетие. Наибольший эффект снижения массы летательного аппарата (12-18%) достигается при использовании в конструкции алюминиево-литиевых сплавов (АЛС) в сочетании со сварным вариантом изготовления отдельных агрегатов. Снижение массы летательного аппарата позволяет повысить тактико-технические' характеристики: дальность, продолжительность полета, маневренность или увеличить вооруженность и запас Топлива на борту.
Анализ тенденций развития технологии позволяет заключить, что создание качественно новой продукции невозможно без реализации концепции опережающего развития технологии, в процессе которого формируется определенный научно-технический задел [2] . Формирование такого задела позволит создать новые типы летательных аппаратов , повысить их конкурентную способность на мировом рынке.
Все конструктивные элементы планера можно подразделить на две группы. В первую группу входят силовые элементы конструкции из полуфабрикатов большой толщины: балки, шпангоуты, лонжероны. Ко второй группе относятся сварные элементы из листового полуфабриката: отсеки, баки, панели.
Для первой группы сварных узлов перспективным способом сварки является электронно-лучевая сварка (ЭЛС). К основным технологическим проблемам ЭЛС относятся разработка способов и режимов сварки, обеспечивающих формирование обратной стороны шва, не требующее дальнейшей механической обработки в труднодоступных местах, а также разработка технологии сварки узлов сложного профильного сечения с минимальным технологическим припуском.
Спектр инженерно-технических проблем, возникающий при изготовлении узлов второй группы, гораздо шире. Большое значение при этом имеет принятая концепция сборки-сварки основных конструкций, например, отсеков. При каркасно-панелыюм принципе сборки агрегатов и отсеков возникают трудности по соблюдению точности сборки деталей под сварку, с автоматизацией самого процесса сварки, с наличием высоких остаточных напряжении.
Концепция панелированной конструкции предусматривает создание плоских сварных панелей с последующим их'деформированием в состоянии сверхпластичности и обеспечением требуемой точности геометрических размеров, проведение упрочняющей термической обработки и сборку-сварку отдельных панелей с получением объемной конструкции (отсека). Исходя из концепции панелированной конструкции, типовым конструктивным элементом которой становится тавровое соединение, можно выделить следующие проблемные вопросы: исследование механических свойств тавровых соединений из алюминиево-литиевых сплавов; разработка и совершенствование свойств присадочных материалов для сварки полуфабрикатов из алюминиево-литиевых сплавов; разработка технологии сварки перекрестий ребристых панелей; снижение уровня остаточных напряжений путем локальной термообработки зоны сварки.
Актуальным в связи с этим является создание, оптимизация и внедрение технологии изготовления конструкций из высокопрочных алюминиево- литиевых сплавов для летательных аппаратов с применением прогрессивных методов сварки, характеризующихся высоким коэффициентом использования материала. На пути к достижению требуемого качества изготовления сварных конструкций ответственного назначения встает проблема предупреждения образования дефектов в сварных соединениях. Появление дефектов типа пор, включений оксидной пленки при сварке плавлением алюминиевых сплавов явление широко известное.
По сравнению с другими дефектами соединений АЛС поры являются наиболее часто встречающимся дефектом. Поры являются опасным дефектом, особенно если они располагаются цепочками. Наличие пор в металле швов АЛС сопровождается снижением эксплуатационных характеристик сварных соединений, в первую очередь усталостных. Из сказанного следует, что предупреждение образования пор при изготовлении сварных конструкций ответственного назначения из АЛС является, важной научно-технической задачей, требующей своего решения.
Цель работы: Повышение качества сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов в конструкциях ответственного назначения на базе исследований механизмов образования газовых пор и совершенствования способов сварки плавлением в направлении повышения плотности металла шва и околошовной зоны..
В работе были использованы методы оптической, сканирующей электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального, дилатометрического и рентгеноструктурного анализов и др. Кроме того, в работе применялись методики МВТУ-1-6, технологических проб по оценке свариваемости и определению механических свойств материалов после воздействия термического цикла сварки.
При постановке задач исследований, разработке теоретических положений и рабочих гипотез автор использовал научные идеи, содержащиеся
11 в трудах: Г.А. Николаева, И.Н. Фридляндера, Г.Д. Никифорова, А.А. Алова, Д.Н. Рабкина, АЛ. Ищенко, В.В. Редчица, А.В. Петрова и др.
Научная новизна защищаемых в диссертации положений заключается в том, что:
Установлено проявление двух механизмов возникновения зародышей газовых пузырьков при сварке плавлением алюминиево-литиевых сплавов -экзогенного и эндогенного. Эндогенный механизм возникновения зародышей пузырьков реализуется при поступлении в сварочную ванну частиц оксидной пленки с поверхности кромок и присадочного металла, а также при наличии в основном металле внутренних дефектов в виде несплошностей и расслоений. Зародыши газовых пузырьков по экзогенному механизму образуются в процессе термодеформационного цикла сварки на базе дефектов обработки торцевой поверхности кромок и имеющихся на этой поверхности газообразующих веществ, а также в результате диссоциации соединений поверхностного слоя.
На основе термодинамического анализа процесса взаимодействия компонентов алюминиево-литиевых сплавов с атмосферой при нагреве и экспериментальных исследований показано, что поверхностный слой на АЛС содержит оксидную пленку на основе соединений LiOH, Li20, Ьі2СОз, АІ2О3 (и их комплексов) и поясок укрупненных зерен с пониженным содержанием легирующих компонентов и повышенным содержанием водорода по отношению к основе сплава. Скорость роста толщины поверхностного слоя АЛС определяется химическим составом сплава, температурой и условиями нагрева: она линейна для сплавов системы Al-Cu-Li в диапазоне температур 250-520С, а для сплавов системы Al-Mg-Li наблюдается резкое возрастание скорости окисления при температуре более 430С.
В процессе сварки соединения поверхностного слоя на АЛС диссоциируют с выделением газов за исключением внешнего слоя LiOH, диссоциация которой начинается с 700С. Слой гидрооксида лития со стороны корня шва препятствует выделению газов и на базе ее дефектов, как на подложке формируются зародыши газовых пузырьков, поступающие затем в сварочную ванну.
Установлено, что наличие лития в сплавах 1420 и 1460 вызывает формирование фаз, обладающих повышенной растворимостью водорода по сравнению с основой сплава. Под действием сварочного нагрева в зоне сплавления происходит оплавление фаз, обогащенных литием (твердо-жидкое состояние сплава), и интенсивное растворение в них водорода. На стадии охлаждения сварного соединения вследствие резкого снижения растворимости газов происходит выделение водорода в виде микропузырьков по границам зерен с формированием микропористости. Данное явление может быть причиной снижения ударной вязкости по зоне сплавления соединений АЛС, выполненных электроннолучевой сваркой.
Разработана модель, описывающая кинетику развития пузырьков с учетом диффузионных процессов и гидродинамической ситуации в ванне жидкого алюминиевого сплава. Показано, что наибольшее влияние на рост пузырьков в средней части ванны оказывают конвективные потоки. В пограничной зоне, прилегающей к твердой фазе, начинает превалировать диффузионный механизм, обеспечивающий ускоренный рост более мелких пузырьков. Установлено, что при электроннолучевой сварке АЛС пузырьки развиваются за счет поступления в их объем легкоиспаряющихся компонентов сплава (лития, магния и др.) на участках с локальной ликвацией легирующих элементов. Предложена методика расчета критической мольной доли компонента в сплаве, при которой указанный механизм реализуется.
5. Установлено, что всплывание пузырьков из ванны при дуговой сварке АЛС протекает в течение всего времени ее существования в виде чередующихся стадий с высокой и низкой активностью. Стадийность процесса дегазации ванны жидкого металла является следствием дискретного характера роста пузырьков за счет их коалесценции. Для более полной дегазации ванны при дуговой сварке алюминиево-литиевых сплавов целесообразно периодически повышать температуру расплава у зоны сплавления.
Определена возможность дегазации пузырьков в парогазовый канал при электронно-лучевой сварке. Интенсификации данного процесса способствует периодическое повышение температуры жидкой пленки на стенке канала, в пределах которой существует пузырек, что позволяет снизить кинематическую вязкость и поверхностное натяжение расплава, влияющих на кинетику дегазации ванны.
В результате численных исследований поведения водорода при остывании металла сварного шва установлено, что до температуры 350-400С идет процесс диффузии водорода в поры, а при более низких температурах водород абсорбируется металлом с образованием гидрида лития. В конструкциях, работающих при криогенной температуре, гидрид лития может инициировать зарождение микротрещин от участка расположения пор при эксплуатации конструкции.
На основе анализа модели возникновения зародышей газовых пузырьков на базе расслоений основного металла теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм получения качественных соединений при электроннолучевой сварке пористых металлических материалов за счет локальной капиллярной пропитки каналов в пористых материалах расплавом сварочной ванны.
Практическая ценность работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу разработки металлургических и технологических мероприятий по предотвращению дефектов при дуговой и электроннолучевой сварке конструкций из алюминиево-литиевых сплавов, которые отражены в технологических инструкциях и рекомендациях.
Предложены и усовершенствованы процессы сварки конструкций из алюминиево-литиевых сплавов вращающимся электродом с дополнительным программируемым наложением импульсов тока на периферийную часть ванны и сканирующим электронным лучом несимметричного сечения в фокальной плоскости. Предложены технологические методы оценки склонности полуфабрикатов из АЛС к образованию дефектов при сварке.
Технологические разработки защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Материалы диссертации используются в учебном процессе Московского Государственного Индустриального Университета при подготовке инженеров и аспирантов в области сварки и ремонта конструкций из алюминиевых сплавов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков, таблицы и список литературы из наименований.
Автор выражает признательность профессору, доктору технических наук Антонову А.А. за научное консультирование по выполненной диссертации, а также' ведущим специалистам ФГУП «РСК «МиГ», НИАТ, ВИАМ, ВИЛС, МГИУ, ЦНИИТМАШ за помощь в осуществлении экспериментальной части и обсуждении результатов работы.
.Характеристика типовых сварных конструкций из алюминиево-литиевых сплавов
Эксплуатационная надежность изделия авиационно-космической техники определяется на стадиях конструирования, производства и эксплуатации [3] . На всех стадиях "жизненного цикла" изделия необходимы оптимальные решения и действия, принимаемые и осуществляемые на базе системного подхода при использовании соответствующей базы данных и технических средств. Оптимизация решений на стадии конструирования и производства связана с выбором материалов и технологии изготовления узла конструкции, проведением прочностных расчетов, имитационных и натурных испытаний конструкции.
Сварные узлы планера самолета можно условно разделить на две группы. В первую группу целесообразно включить силовые конструкции из полуфабрикатов большой толщины: балки, шпангоуты, лонжероны и др. Ко второй группе отнесем сварные конструкции, изготавливаемые преимущественно из листового полуфабриката: отсеки, панели, баллоны.
В настоящее время при изготовлении отсеков планера самолета определились два концептуальных подхода к организации процесса сборки-сварки основных конструкций: каркасно-панельный и панельный принцип. Примером организации сборки-сварки по каркасно-панельному принципу может служить процесс изготовления бака-отсека центроплана самолета МИГ-29. Конструктивно бак-отсек выполнен из силового каркаса, в который вварены панели - карточки, образующие замкнутый герметичный объем и внешний аэродинамический контур агрегата.
Объемный силовой каркас состоит из поперечных силовых элементов-шпангоутов и продольных силовых элементов сложного сечения- балок и лонжеронов (рис.1). Шпангоуты, имеющие толщину по силовым поясам 60-120 мм (рис.16), сваривают из отдельных штамповок постоянного и переменного сечения электронно-лучевой сваркой. Продольные силовые элементы - балки и лонжероны из прессованных профилей изготавливаются путем сварки из более простых заготовок. Толщина продольных силовых элементов в зоне сварки составляет 3-8 мм.
Сборка силового каркаса, т.е. сварка шпангоутов с элементами продольного силового набора осуществляется ручной аргонодуговой сваркой по стыкам сложного профильного сечения.
Наиболее перспективным способом сварки шпангоутов, элементов продольного силового набора, а также сварки шпангоутов с балками и лонжеронами при сборке объемного силового каркаса является электроннолучевая сварка (ЭЛС), обладающая широкими технологическими возможностями. К основным технологическим проблемам ЭЛС можно отнести разработку таких способов и режимов сварки, которые бы обеспечивали формирование обратной стороны шва, не требующей дальнейшей механической обработки в труднодоступных местах [2].
После сборки и сварки силового каркаса производится фрезерование в нем проемов под сварку панелей. Затем в проем устанавливается предварительно отштампованная и отфрезерованная панель. Для обеспечения требуемой точности сборки деталей под сварку фрезерование проемов, панелей и перемещение сварочной головки осуществляется по одной и той же расчетной программе, вводимой в систему ЧПУ продольно-фрезерных станков типа ФП-9 [4].
Аналитическая оценка вероятности гомогенного и гетерогенного возникновения зародышей газовых пузырьков
Возникновение пузырьков газа в сварочной ванне можно рассматривать как зарождение новой фазы в двухкомпонентной системе газ-металл. Если концентрация газа в жидкости превышает равновесную, то система газ-металл переходит в метастабильное, термодинамически неустойчивое состояние. Процесс образования новой фазы протекает в две стадии: возникновение зародышей газовых пузырьков и развитие зародышей.
Вероятность появления зародыша часто оценивают по величине пересыщения жидкости газом. На основании уравнения Томсона (Кельвина) и закона Сивертса получено новое выражение для оценки критического радиуса зародыша газового пузырька гкр при его гомогенном образовании в объеме жидкого металла:
где R - универсальная газовая постоянная, М - молекулярная масса газа; d - плотность газа; С/С0 - критическая величина пересыщения. Уравнение (1) отражает состояние двухкомпонентной системы «растворенный газ -жидкий металл».
Для многокомпонентной системы с учетом внешнего давления на ванну нейтральных (нерастворимых) газов и металлостатического давления уравнение (1) преобразуется к виду [129 ]:
где Q -некоторая равновесная концентрация газа при температуре Т и равновесном давлении Pj; Рр - суммарное давление газов над ванной; ГІ -глубина ванны; ЧҐ - удельная масса металла ( и "У - металлостатическое давление).
Количественная оценка критического радиуса зародыша газового пузырька по уравнениям (1) и (2) свидетельствует о том, что вероятность самопроизвольного образования зародышей пузырьков в гомогенной среде за счет гетерофазных статистических флуктуации исключительно мала (табл.6). Для реализации такого механизма требуется нереально большое пересыщение раствора или существование готового зародыша размером не менее 10"4 см [129]. Формула (2) дает более достоверные значения критического радиуса зародыша газового пузырька, отличающиеся от полученных по формуле (1) более чем на порядок.
Таблица 6. Количественная оценка критического радиуса зародыша газового пузырька при его возникновении в гомогенной среде
Расчетная формула Величина пересыщения
Примечание: По ( газов 1 кгс/см2 юрмуле (2) расчеты приведены для случая суммарного давления
В то же время, наличие в объеме жидкости плохо смачиваемых твердых включений уменьшает энергию образования зародыша. В работах [72,129] была установлена зависимость критического радиуса пузырька при гомогенном (rs) и гетерогенном (Г) зарождении: где 8 - угол смачивания жидкостью твердой поверхности; т{@) -функция краевого угла смачивания поверхности раздела.
Величина, обратная f (О), названа критерием стимулирующего действия поверхности раздела на зарождение пузырьков [129]. Она зависит от геометрии поверхности раздела и наличия в ней дефектов механического происхождения. Расчетным путем показано, что стимулирующее действие на возникновение зародышей газовой фазы плоской поверхности раздела заметно лишь при углах смачивания больше 150. В то же время известно, что наличие у поверхностей раздела капиллярных дефектов может большее оказывать стимулирующее действие на возникновение зародышей, чем плоская граница. В этом случае критерии стимулирующего действия являются функцией не только угла смачивания, но и геометрического параметра, характеризующего форму дефекта. С увеличением угла смачивания и с уменьшением геометрического параметра стимулирующее действие дефектов усиливается и при определенном их соотношении образование зародыша газового пузырька становится возможным без затрат энергии. Другими словами, такие дефекты являются готовыми зародышами газовой фазы. Установлено, что наибольшее стимулирующее действие иа образование зародышей пузырьков могут оказывать дефекты цилиндрической формы. Такие дефекты поверхности имеют торцы соединяемых металлов, присадочный материал, поверхностная оксидная пленка, а также оксидные и другие неметаллические включения, содержащиеся в объеме металла [130].
Влияние газосодержания и типа полуфабриката на реализацию механизмов образования зародышей газовых пузырьков при сварке АЛС
Влияние газосодержания и типа полуфабриката основного металла при сварке АЛС на образование зародышей газовых пузырьков оценивалось при автоматической аргонодуговой сварке заготовок сплава 1420 из листа и штамповки толщиной 3 мм. Исходное содержание водорода в листовой заготовке составляло 0,42 см3/100 г, а в штамповке - 0,49 см3/100 г. Сварку образцов для устранения влияния стыка на образование зародышей газовых пузырьков осуществляли по целой пластине размером 200x200 мм. Полученные сварные соединения подвергали рентгеновскому просвечиванию и металлографическим исследованиям.
Рентгеновским просвечиванием поры не обнаружены в соединениях листа и штамповки. Металлографические исследования выявили наличие многочисленных строчечных выделений интерметаллидных фаз (рис.бОа) и микропористости в зоне сплавления диаметром порядка 20-60 мкм (рис.606). При этом у сварных соединений заготовок из штамповки микропристость в зоне сплавления проявилась интенсивнее, чем в случае сварки листовых заготовок.
Можно предположить следующий механизм образования микропор. От первичной структуры слитков полуфабрикаты наследуют протяженные строчечные скопления s-фазы (Al2MgLi). Размер этих включений в штамповках изменяется в пределах 0,15-0,22 мм, а в листовых полуфабрикатах - 0,02-0,06 мм. Общее увеличение содержания лития и магния приводит к увеличению доли s-фазы в структуре и снижению нижней границы температурного интервала хрупкости с 610С до 520-530С. Это связано с расплавлением s-фазы с температурой плавления 527С [182]. Наличие в сплаве нескольких фаз, активных по отношению к водороду, приводит к тому, что последний в условиях термодинамического равновесия распределяется между отдельными фазами.
Из термодинамического анализа следует, что концентрация водорода в каждой из фаз СІ при заданной средней концентрации водорода в металле С будет определяться уравнением
где Kj - константа равновесия уравнения Бореллиуса для i-фазы; Hj - теплота растворения водорода в і-фазе; Vj и V - объем i-фазы и металла соответственно.
Из уравнений (122) и (123) следует:
- концентрация водорода в каждой из фаз пропорциональна средней концентрации водорода в сплаве;
- при изменении температуры происходит перераспределение водорода между фазами;
- соотношение концентраций водорода в различных фазах при заданной температуре не зависит от средней концентрации водорода в сплаве.
При температуре выше 500С в условиях термического цикла сварки скопления интерметаллидных частиц, взаимодействуя с окружающим твердым раствором, образуют легкоплавкую эвтектику. Легкоплавкая эвтектика по границам зерен в зоне сплавления обогащена водородом. Водород диффундирует в жидкую легкоплавкую эвтектику по границам зерен, а также дополнительно поступает в зону сплавления за счет иермодиффузии и образует пики концентрации (рис.61).
При охлаждении сварного соединения легкоплавкая эвтектика кристаллизуется с выделением избыточного водорода. Водород в первую очередь выделяется в пустоты усадочного или наследственного характера по границам зерен.. Образование пустот усадочного характера определяется пониженной температурой солидуса и увеличенным интервалом кристаллизации интерметаллидных прослоек по сравнению с основой сплава.
На границах зерен сплава присутствуют дислокации, которые можно рассматривать как типичные ловушки водорода. Равновесная концентрация водорода в поле упругих напряжений С- определяется уравнением:
