CC BY
47
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.791
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ ПРИ СМТ-НАПЛАВКЕ ПРОВОЛОКИ ТИПА АМГ5
Е.С. Саломатова, М.Ф. Карташев, Д.Н. Трушников, Г.Л. Пермяков, Т.В. Ольшанская, И.Р. Абашев, Е.Г. Колева
В данной статье представлены результаты химического анализа наплавленных слоев алюминиевой проволоки АМг5 при СМТ наплавке. Выявлены изменения концентрации легкоиспаряемых компонентов сплава, в том числе и магния, по наплавленным слоям. Также представлена нелинейная теоретическая модель, которая описывает неравновесные процессы в жидкой фазе наплавляемого металла, с учетом процессов испарения химических легкоиспаряемых элементов из наплавляемой проволоки в зоне воздействия источника нагрева при СМТ наплавке. Верификация модели основана на исследовании химического состава наплавленных слоев. При анализе результатов рентгенофлюоресцентного исследования выявлено, что самый первый наплавленный слой обладает пониженным содержанием магния, по сравнению со следующими слоями. В верхнем наплавленном слое зафиксировано увеличение содержания магния по сравнению с первым слоем, наплавленным на подложку.
Ключевые слова: СМТ наплавка, алюминиевая проволока, рентгенофлюоресцентный анализ, легкоиспаряемый компонент, аддитивные технологии, многослойная наплавка, cold metal transfer, алюминий, АМг5, проволочно-дуговая послойная наплавка, WAAM, дуговая сварка.
Применение аддитивных технологий способствуют сокращению подготовительного и технологического цикла создания изделия на производстве, что приводит к снижению себестоимости готовой продукции. Применение при аддитивном производстве проволочных материалов различного состава расширяет номенклатуру получаемых изделий, по сравнению с дорогостоящими порошковыми материалами. При использовании проволочных материалов и различных технологий наплавки (лазерная, плазменная, СМТ наплавка) [1-3] с технологическими приемами (пневмоупрочнение слоев [4-5], ультразвуковое воздействие в процессе наплавки) позволяет получать изделия с уникальными свойствами, что является неоспоримым преимуществом аддитивного производства с использованием проволочных материалов. В данной статье рассматриваются образцы, полученные при СМТ (Cold Metal Transfer - холодный перенос металла) наплавке в импульсном режиме. Процесс СМТ наплавки протекает следующим образом: при соприкосновении наплавляемой проволоки с поверхностью подложки происходит короткое замыкание (КЗ), при первом обнаружении КЗ ток снижается до минимально допустимого значения, и в то же время происходит отрыв капли за счет обратного движения наплавляемой проволоки. Перенос металла осуществляется при значении тока практически равном нулю и поэтому вклад тепла очень мал [6].
В работах [7] и [8] изучили характеристики управления процессом переноса капли при СМТ технологии и обнаружили, что CMT требует меньшего тока для того же количества наплавленного материала по сравнению с обычной импульсной сваркой GMAW (Gas Metal Arc Welding - сварка дуговая плавящимся электродом в защитном газе). В работе [9] исследовали возможность применения CMT процесса для сварки алюминиевого сплава. Пирес и др. [10] сравнили GMAW, импульсный GMAW и CMT процесс и обнаружили, что при CMT процессе уменьшается выброс вредных испарений из-за низкого выделения тепла. Приведенные выше исследования обеспечивают предварительное понимание CMT процесса, но детали физических процессов до сих пор неясны. Полное понимание CMT процесса не может быть получено одними экспериментальными данными. Благодаря достижениям в области численных методов и компьютеров большой мощности, численный метод обеспечивает удобный способ лучше понять механизмы. В последние годы был опубликован ряд статей по моделированию явлений переноса в процессе дуговой сварки [12-20]. Однако, недостаточно литературы посвящено процессу сварки CMT-pulsed - комбинации CMT и импульсной дуги, особенно для сварки алюминиевых сплавов и оцинкован-
ной стали. Данная технология известна и применяется не так давно, всего с 2004 года, поэтому всестороннее ее исследование, в том числе моделирование процессов, является важной и актуальной задачей.
В первом приближении математическая модель основана на решении тепловой задачи в трехмерной постановке в первом приближении. Вследствие симметрии для описания достаточно в расчетную область включить только половину всего объекта. Геометрия расчетной области представлена на рис. 1.
Следующие упрощения были сделаны при моделировании процесса наплавки. Во-первых, весь объем исследуемого металла находиться в твердом состоянии, во-вторых, источник нагрева записываем в виде распределения Гаусса, в-третьих, геометрические параметры валика связаны с параметрами СМТ процесса.
Математическая модель основана на решении дифференциального уравнения теплопроводности (переноса энергии) в трехмерной постановке
дт (д2Т д2Т д2т\ дт р
-г = а' тт + тт + тт----(1)
дЬ \дх2 ду2 дг2) дх Сеггр 4 у
где Т - температура, а = Х/Се^ ■ р- коэффициент температуропроводности, V- скорость движения среды (совпадает со скоростью наплавки и со скоростью подачи проволоки, р - плотность, Р - общая мощность, вводимая в изделие [ Вт/мЗ ].
Рис. 1. Расчетная схема модели: 1 - входная поверхность; 2 - боковая поверхность; 3 - нижняя поверхность; 4 - поверхность симметрии; 5 - верхняя поверхность; 6 - наплавляемая проволока; 7 - наплавленный валик; 8 -выходная поверхность
Вклад конвективного переноса в расплаве учитывается формулой \f.ff = Яь(2 — Гь/Г), где коэффициент теплопроводности жидкости, Ть - температура ликвидус.
Скрытая теплота плавления и кристаллизации учитывалась введением эффективной теплоемкости:
ЫГ~Со+-Шть-т,)--(2)
где Со - теплоемкость в зависимости от температуры, Hf- скрытая теплота плавления, Ттеи - температура плавления, которая принята средней в интервале от температуры солидуса 7х до ликвидуса Ть [21].
Ввиду симметрии для описания достаточно в расчетную область включить только половину всего объекта.
Использовались граничные условия смешанного типа. Термодинамические граничные условия на лицевой поверхности (поверхности наплавляемого металла):
дТ Р
Л~ = — ~ао(Т ~ Т0)
дг кг2
в плоскости симметрии
и на всех остальных поверхностях
дТ А— = 0
дп
А^ = ~а0(Т - Т0),
где г = у/(х — х0)2 + (у — у0)2 - расстояние от оси источника теплоты до рассматриваемой точки (хо и у о - координаты центра источника), ао - эффективный коэффициент теплоотдачи, учитывающий потери тепла на конвекцию и радиацию. В таблице 1 и 2 представлены параметры процесса наплавки и физические характеристики наплавляемого материала соответственно.
Плотность потока массы ;-го легирующего элемента в зоне плавления проволоки определяется плотностью потока, обусловленного испарением Лг'-го элемента, прямо пропорциональна концентрации примеси
Уе„=Уо(%п), (3)
где Л) - плотность потока испарения чистого /-го элемента; Б о, Б - соответственно начальная и текущая концентрации /-го элемента в сплаве.
Таблица 1
Параметры процесса наплавки__
Сварочный ток, 1(A) Сварочное напряжение U (В) Скорость наплавки V„ (м/с) Скорость подачи ПрОВОЛОКИ Vnp (м/с) Время наплавки одного слоя (с) Время паузы между слоями (с)
115 17 1-Ю"2 8-V„ 16 60
В свою очередь плотность диффузионного потока испарения /-го элемента определяется по формуле [22]:
Уо=М'У „=11-А-(Р(Т)/у[Рг), (4)
где ¡х- масса в молях /-го элемента сплава; Л- мольный поток /-го элемента сплава; А - размерный коэффициент; Р(Т) - парциальное давление /-го компонента расплава, которое можно определить по методике, описанной в работах [23].
Таблица 2
Физические характеристики сплава АМг5 и геометрические параметры расчетной схемы
Характеристики Обозначение Величина
Начальная температура То [К1 237
Температура начала процесса кристаллизации Tl[K1 911
Температура окончания процесса кристаллизации TsiKl 782
Приращение температуры AT [K1 129
Теплопроводность X [Вт/(м-К)] 155
Плотность p [кг/м3] 2640
Удельная теплота плавления №[кДж/кг| 390
Приращение энтальпии магния AHMg [Дж/моль] -127600
Приращение энтальпии алюминия А1 AHai [Дж/моль] -290800
Геометрические параметры
Длина расчетной области Г [м] 0,07
Глубина расчетной области В [м] 0,0025
Высота расчетной области Н [м] 0,02
высота наплавляемого валика h [м] 2,5-Ю"3
Таким образом, задача сводиться к совместному решению уравнений (1-4) и определению потока массы в объеме расплава, уносимого с поверхности расплава:
Xi=l(/o) ' ^распл. = (5)
где дт/ dt - поток массы паров металла, уносимых с поверхности расплава.
Первоначальная масса легирующих легкоиспаряемых компонентов в объеме расплавленной ванны рассчитывалась по формуле
т° = V ■ о ■ С°
где Vpacn. p - масса сплава в жидком состоянии,- начальная концентрация легирующих элементов в наплавляемой проволоке.
Изменение массы легирующих элементов при наплавке по времени определяется
дт
А т.: = —— ■ At 1 dt
Таким образом, определяем конечную концентрацию легирующих элементов в наплавленном
валике
mf — А т.: Q =—-L
Ц>асп. ' Р
Форма наплавленного валика аппроксимировалась полуэллипсом. Объем наплавленного за единицу времени валика совпадает с объемом подаваемого присадочного материала nr^pVnp = naBbBVpl/2 , где авя Ье- ширина и высота наплавляемого валика соответственно.
Численная реализация осуществлялась с помощью пакета прикладного программного обеспечения Cortisol 4.3 (модуль Heat Transfer). Область имитации процесса покрывали трехмерной сеткой, вписанной в расчетную область. Сетка имела неравномерный шаг (рис. 2). В зоне воздействия дуги и подачи присадочной проволоки максимальный размер ячейки составлял 0,5 мм, в остальной области -2,5 мм.
При наплавки алюминиевой проволоки происходит образование жидкого расплава в зоне действия источника нагрева (рис. 3, б), в этой зоне учитывается фазовый переход из жидкого состояние в твердое (рис. 3, а).
Рис. 2. Наложение сетки на расчетную область
Рис. 3. Результаты численного моделирования: а — изображены зоны нахождения металла в жидком и твердом состояниях, максимальная температура твердого состояния 911 К; б -действия источника нагрева, максимальная расчетная температура 2056 К
В ходе численного моделирования была получена зависимость концентрации магния от изменения от изменения мощности теплового потока (рис. 4). С увеличением мощности источника нагрева при СМТ наплавке наблюдаем уменьшение концентрации содержания магния в наплавленном слое.
Начальная концентрация Mg :: наплавляемой проволоке.°
Концентрация Mg в наплавляемых слоях, %
1600 7700 1ЙОО 1900 2000 2100 22СО 2300 ?ЛОО 2W0 2600 2700 2800 2900 30QÍ
Мощн□ стъист очниканагрева.при СМТн аллавке. Вт
Рис. 4. Зависимость концентрации магния (Sмg) от, изменения мощности теплового потока (Рнапл.)
Для верификации математической модели проведены экспериментальные работы. В процессе проведения экспериментальных исследований были изготовлены образцы при СМТ наплавке с использованием проволоки типа АМг5. Проведен химический анализ образцов (рис. 5), при помощи энергодисперсионного рентгенофлюоресцентного анализа, с использованием рентгеновской трубки с родиевым анодом, напряжением на трубке 15 кВ, током 100 мкА в вакууме. Каллиматор составляет 1 мм.
При исследовании полученных результатов химического анализа, была построена диаграмма изменения содержания магния (в %) по высоте наплавленной стенки (рис.6).
Наблюдается максимальное обеднение магнием самого первого наплавленного слоя, который наплавляется на подложку из материала АМг5 при использование жестких режимов наплавки. В каждом следующем наплавляемом слое концентрация магния увеличивается и приближается к начальной концентрации, фиксируемой в наплавляемой проволоке. Перепад концентрации магния от первого слоя к третьему составляет порядка 1,15 %.
Рис. 5. Зоны энергодисперсионного рентгенофлюоресцентного анализа слоев, наплавленных методом СМТ с использованием проволоки АМг5
£ = S.4 В я с. —
'J
5
Ш ; n
' :
i ;
Г|\\ i
' \ i
i-.......—J
-Mgl
-Mg2
-Mgnp.
2 3 4 5
Зоны исследования химического состава
Рис. 6. График изменения концентрации магния в наплавленных слоях в зонах измерения от 1 до 5: Mg1 - содержание магния в образце 1; Mg2 - содержание магния в образце 2; Mg3 - содержание магния в образце 3; Mg пр. - содержание магния в исследуемой проволоке, первоначальный состав Mg; I, II, III - первый, второй и третий наплавленные слои,
соответственно
Наиболее вероятной причиной подобного перепада концентрации магния в наплавленных слоях, являются влияние теплового воздействия от каждого последующего слоя и высокая диффузионная активность магния. Магний в алюминиевом сплаве выступает в роли упрочнителя. Во избежание получения наплавленных изделий с пониженными прочностными свойствами необходимо механически удалять первый слой, наплавляемый на подложку.
Разработана математическая модель, описывающая процессы испарения лекгоиспаряемых компонентов алюминиевого сплава, которая позволяет прогнозировать химический состав валиков, полученных при СМТ наплавке. Осуществлена верификация математической модели путем проведения натурного эксперимента и сопоставления результатов химического анализа зон наплавленного металла с расчетными значениями.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках соглашения С-26/787 от 21.12.2017 и Российского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта № 18-08-01016 А.
Список литературы
1. Осколков А. А., Матвеев Е.В., Безукладников И.И., Трушников Д.Н., Кротова Е.Л. Передовые технологии аддитивного производства металлических изделий // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение, 2018. Т.20. № 3. C. 90 - 105.
2. Трушников Д.Н., Щицын Ю.Д., Белинин Д.С., Колева Е.М. Послойный синтез материалов в вакууме на основе плавления присадочной проволоки электрической дугой // Аддитивные технологии, 2018. 3. С. 34 - 39.
3. Selvi S., Vishvaksenan A., Rajasekar E. Cold metal transfer (CMT) technology-An overview // Defence technology, 2018. Т. 14. №. 1. С. 28-44.
4. Cong B. et al. Influence of cold metal transfer process and its heat input on weld bead geometry and porosity of aluminum-copper alloy welds // Rare Metal Materials and Engineering, 2016. Т. 45. №. 3. С. 606611.
5. Карташев М.Ф., Трушников Д.Н., Пермяков Г.Л., Душина А.Ю. Влияние параметров arc length correction и pulse correction на содержание и объемную долю пор при многослойной наплавке алюминиевых образцов на режимах Mig-Pulse, CMT-Pulse // Master's Journal, 2018. № 2. С. 7-15.
6. Щицын Ю.Д., Терентьев С.А., Неулыбин С.Д., Артемов А.О., Белинин Д.С. Формирование структуры и свойств стали 04Х18Н9 при аддитивном производстве заготовок // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2018. Т. 20. № 3. С. 55-62.
7. Zhang H.T., Feng J.C., He P., Zhang B.B., Chen J.M., Wang L. The Arc Characteristics and Metal Transfer Behavior of Cold Metal Transfer and its Use in Joining Aluminum to Zinc-Coated Steel // Mater. Sci. Eng., A, 2004, 499. P. 111-113.
8. Feng J., Zhang H., He P. The CMT Short-Circuiting Metal Transfer Process and its Use in Thin Aluminum Sheets Welding // Mater. Des., 2009, 30. P. 1850-1852.
9. Pickin C.G., Young K. Evaluation of Cold Metal Transfer (CMT) Process for Welding Aluminum Alloy // Sci. Technol. Weld. Joining, 2006. 11. P. 583-585.
10. Pires I., Quintino L., Amaral V., Rosado T. Reduction of Fume and Gas Emissions Using Innovative Gas Metal Arc Welding Variants // Int. J Adv. Manuf. Technol., 2010. 50. P. 557-567.
11. Rao Z.H., Zhou J., Liao S.M., Tsai H.L. Three-Dimensional Modeling of Transport Phenomena and Their Effect on the Formation of Ripples in Gas Metal Arc Welding // J. Appl. Phys., 2010. 107. P. 054905.
12. Rao Z.H., Liao S.M., Tsai H.L. Effects of Shielding Gas Compositions on Arc Plasma and Metal Transfer in Gas Metal Arc Welding // J. Appl. Phys., 2010. 107. P. 044902.
13. Haidar J. Prediction of Metal Droplet Formation in Gas Metal Arc Welding II // J. Appl. Phys., 1998. 84, pp. 3530-3540.
14. Fan H.G., Kovacevic R. A Unified Model of Transport Phenomena in Gas Metal Arc Welding Including Electrode, Arc Plasma and Molten Pool // J. Phys. D: Appl. Phys., 2004. 37. P. 2531-2544.
15. Hu J., Tsai H.L. Heat and Mass Transfer in Gas Metal Arc Welding, Part I: The Arc // Int. J. Heat and Mass Transfer, 2007. 50. P. 833-846.
16. Rao Z.H., Hu J., Liao S.M., Tsai H.L. Modeling of the Transport Phenomena in GMAW Using Argon-Helium Mixtures. Part I. The Arc // Int. J. Heat Mass Transfer, 2010. 53. P. 5707-5721.
17. Xu G., Hu J., Tsai H.L. Modeling Three-Dimensional Plasma Arc in Gas Tungsten Arc Welding // ASME J. Manuf. Sci. Eng., 2012. 134(3). P. 031001.
18. Xu G., Hu J., Tsai H.L. Three-Dimensional Modeling of Arc Plasma and Metal Transfer in Gas Metal Arc Welding // Int. J. Heat Mass Transfer, 2009. 52. P. 1709-1724.
19. Неулыбин С.Д., Пермяков Г.Л., Трушников Д.Н., Щицын Ю.Д., Беленький В.Я., Белинин Д.С. Плазменная наплавка: математическая модель, численная реализация и верификация // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение, 2017. Т. 19. № 4. С. 7-23.
20. Heat Transfer and Fluid Flow during Electron Beam Welding of 304L Stainless Steel Alloy / B.Y.R. Ray et al // Welding Journal. Mach, 2009. Vol. 88. P. 54-61.
21. Саломатова Е.С., Трушников Д.Н., Цаплин А.И., Беленький В.Я., Младенов Г.М. Моделирование процессов испарения при электронно-лучевой сварке с динамическим позиционированием электронного пучка // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 6, Ч. 2. С. 124-134.
22. Dragunov V., Vmyakishev Y.U., Goncharov A., Sliva A. Modelling of magnetic fields of thermoelectric current in the penetration channel in electron beam welding of ferro - and paramagnetic steels // Welding International, 2006. 20. P. 811-815.
Саломатова Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, weld-katy@mail. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Карташев Максим Федорович, аспирант, инженер, goncharsk@mail. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Трушников Дмитрий Николаевич, д-р техн. наук, профессор, trdimitr@yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Пермяков Глеб Львович, канд. техн. наук, младший научный сотрудник, gleb.permyakov@yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Ольшанская Татьяна Васильевна, д-р техн. наук, профессор, tvo66@rambler. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Абашев Ильнар Рафисович, студент, ilnarabashev@yandex.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Колева Елена Георгиевна, д-р техн. наук, доцент, eligeorg@abv. bg, Болгария, София, Институт электроники Болгарской академии наук
INVESTIGATION OF THE EVAPORATION PROCESSES OF ALLOYING COMPONENTS IN СМТ
SURFACING OF THE AMG5 TYPE WIRE
E.S. Salomatova, M.F. Kartashev, D.N. Trushnikov, G.L. Permykov, T.V. Olshanskaya, I.R. Abashev, E.G. Koleva
This article presents the results of chemical analysis of the deposited layers of aluminum wire AMg5 during СMT surfacing. The changes of the easily evaporated alloy components, including magnesium, on the deposited layers are revealed. A non-linear theoretical model that describes nonequilibrium processes in the liquid phase of the deposited metalis also presented, taking into account the processes of evaporation of chemical easily evaporated elements from the deposited wire in the zone of influence of the heating source during CMT surfacing. Verification of the model is based on the study of the chemical composition of the deposited layers. When analyzing the results of X-ray fluorescence studies, it was revealed that the very first deposited layer has reduced magnesium content, compared with the following layers. In the upper deposited layer, an increase in the magnesium content was recorded in comparison with the first layer deposited on the substrate.
Key words: СMT surfacing, aluminum wire, X-ray fluorescence analysis, volatile component, additive manufacture, multilayer surfacing, cold metal transfer, aluminum, aluminum alloy 5056, wire arc additive manufacturing, WAAM, arc welding.
Salomatova Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, weld-katy@mail. ru, Russia, Perm, National Research Polytechnic University,
Kartashev Maxim Fedorovich, postgraduate, goncharsk@mail. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Trushnikov Dmitry Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, trdimitr@yandex. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Permyakov Gleb Lvovich, candidate of technical sciences, junior researcher, gleb.permyakov@yandex. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Olshanskaya Tatyana Vasilievna, doctor of technical sciences, professor, tvo66@rambler. ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Abashev Ilnar Rafisovich, student, ilnarabashev@yandex.ru, Russia, Perm, Perm National Research Polytechnic University,
Koleva Elena Georgievna, doctor of sciences, docent, eligeorg@abv. bg, Bulgaria, Sofia, Institute of Electronics of the Bulgarian Academy of Sciences
