CC BY
24масштаб. Необходимо указать производительность или количество машин, производительность и другие рабочие параметры.
Список литературы
1. Арсентьев В.А., Вайсберг Л.А., Зарогатский Л.П., Шулояков А.Д. «Производство кубовидного щебня и строительного песка с использованием вибрационных дробилок». С-Пб.: Издательство ВСЕГЕИ, 2004. Стр. 32-34.
2. Информационный портал Бетон.ру. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://betoaru/news/detaП.php?ГО=4Ш38/ (дата обращения: 21.12.2020).
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОРООБРАЗОВАНИЙ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ МЕТОДОМ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Скобликов Я.П.
Скобликов Яков Павлович - бакалавр, студент, кафедра сварных судовых конструкций, кораблестроительный факультет, Санкт- Петербургский морской технический университет, г. Санкт-Петербург
Аннотация: возникновение дефектов в виде пор является одной из главных проблем, возникающих при изготовлении изделий электродуговым методом из алюминиевых сплавов. В данной работе описаны основные причины возникновения пор в наплавленном металле при электродуговом выращивании, а также способы уменьшения пористости.
Ключевые слова: аддитивные технологии, наплавка, поры, пористость.
Введение
Технология электродугового выращивания является перспективной технологией производства металлически деталей сложной геометрической формы. Данная технология производства выделяется среди других аддитивных способов высокой производительностью, относительно низкой стоимостью оборудования. Процесс электродугового выращивания основан на послойной наплавке металла по определенной траектории, задаваемой CAD-моделью. Обычно, в качестве источника тепла, используемого для расплавления присадочного материала используется электрическая дуга, а в качестве присадочного материала - проволока.
Алюминиевые сплавы являются широко используемым материалом, применяющимся для производства металлических изделий в машиностроении. Низкая плотность, высокая коррозионная стойкость, относительно высокая прочность делает данный материал особо привлекательным для использования в авиастроении и кораблестроении. Однако, при изготовлении изделий из алюминиевых сплавов нередко встречаются дефекты в виде пор.
В данной статье рассмотрены основные способы предупреждения возникновения данных дефектов и способы по уменьшению пористости в металле.
Основная часть
Технология электродугового выращивания считается современной технологией производства, позволяющей создавать уникальные детали сложной геометрической формы. Однако, при изготовлении деталей из алюминиевых сплавов нередко возникают дефекты в виде пор. Причиной возникновения пор в металле является скачкообразное изменение растворимости водорода при достижении металла
температуры плавления. При остывании металла, ранее растворенный водород не успевает выделиться и застывает в металле в виде пор. На рисунке 1 приведен график зависимости растворимости водорода в алюминии в зависимости от температуры.
0,5
5!» (ijll 75(1 85« Г.'С
Рис. 1. График зависимости растворимости водорода от температуры металла
Для уменьшения вероятности возникновения пор в металле необходимо тщательно подходить к зачистке поверхности металла от оксидной пленки. Оксидная пленка, покрывающая всю поверхность алюминия, способна адсорбировать воду. При наплавке происходит разрушении оксидной пленки. Растворенная в ней вода диссоциирует. Происходит насыщение металла водородом [1].
Другой причиной проникновения водорода в сварочную ванну является некачественная газовая защита сварочной ванны. При обтекании потоком защитного газа поверхности изделия возможно возникновение турбулентных потоков газа, ведущие к ухудшению газовой защиты.
В статье [2] описывается влияние различных плавок, из которых изготавливалась проволока, на пористость. В ходе работы был выполнен 21 образец в виде наплавок с использованием проволоки из алюминиевого сплава марки АА2319 разных производителей на разных режимах наплавки. Было установлено что влияние плавки на пористость превышает влияние режимов наплавки. Причиной данного явления является разный химических состав проволоки отличающийся от установленного стандартом в пределах допустимого отклонения. С увеличением в химическом составе содержания меди размер пор в наплавленном металле уменьшается. При использовании проволоки одной плавки увеличение размера пор происходит при увеличении скорости наплавки.
При выращивании изделий из алюминиевых сплавов часто используют технологию холодного переноса металла, разработанную компанией Fronius. Данная технология основана на тонком анализе вольт-амперной характеристики системы "дуга-источник питания". В ходе анализа характеристики система способна распознавать момент возникновения короткого замыкания и уменьшать сварочный ток до критического минимального значения, тем самым плавно опуская каплю расплавленного металла в сварочную ванну. После отделения капли расплавленного металла срабатывает ретракт проволоки, и дуга зажигается снова. Цикл повторяется заново.
В статье [3] изучено влияние различных методов наплавки (CMT, CMT-Puls, CMT-Advanced и CMT-Pulse Advanced) на формирование пор в наплавленном металле. Было замечено, что большая часть пор располагается на границах наплавленных слоев. В ходе работы было также исследовано влияние скорости наплавки на формирование пористости в наплавленном металле (рис.2). В ходе анализа результатов был сделан вывод, что наиболее удачным режимом наплавки является CMT - PADV. Данный режим наплавки, по сравнению с другими вышеприведенными
позволяет более точно контролировать тепловложение в металл, возможность исключить возникновение пор в металле.
что создает
Рис. 2. Количество пор в первом осажденном слое с использование различных режимов наплавки: а) CMT б) CMT-P в) CMT-ADVи д) CMT-PADV
Одним из главных конкурентов метода холодного переноса металла является метод, основанный на процессе наплавки с использованием неплавящегося электрода (GTIG). Для более эффективной наплавки, зачастую, используют присадочную проволоку с положительным потенциалом относительно наплавленного металла.
В статье [4] выполнено исследование влияния тока, протекающего через присадочную проволоку на количество пор и их размер. В качестве присадочного материала выступала алюминиевая проволока марки 2024. В ходе работы было обнаружено, что при увеличении тока на подаваемом прутке пористость сначала уменьшается, а после достижения критического значения тока стремительно начинает увеличиваться. На рисунке 3 представлена модель распределения пор в наплавленном металле для двух случаев. Размер пор, в среднем, отличается в 10 раз, что говорит о эффективности данного метода наплавки.
а __б
Рис. 3. 3D-модель распределения пор в образцах при токах на подающей проволоке а) 0А б)
100А
Существуют другая концепция уменьшения пористости в металле, которая заключается в механической обработке каждого наплавленного слоя и последующей термической обработке сплава.
В работах [5, 6] описывается влияние послойной механической прокатки и термообработки на формирование пор в наплавленном металле. В ходе работы были изготовлены образцы из алюминиевого сплава серии 2319 подвергнутые послойной прокатке с различной степенью усилия 15 кН, 30 кН, 45 кН. Замечено, что при увеличении нагрузки проката происходит уменьшение пористости в металле (рис. 5). При прокатке с усилием в 45 кН наличие пор не было выявлено.
Рис. 4. Установка электродугового выращивания с послойной упрочняющей прокаткой слоя
Рис. 5. Зависимость размера пор от их количества в образцах с различной степенью
межслойной прокатки
Также было изучено влияние термической обработки на пористость в наплавленном металле для образцов с различной степенью деформацией наплавленного слоя. Режим термообработки представляет собой медленное нагревание образцов со скоростью 200 ^ /ч до температуры 535Х, выдержке 90 минут в печи, охлаждении в воде комнатной температуры.
Было замечено, что после термической обработки механически необработанного металла происходит небольшое увеличение площади пор. Влияние термической обработка деформированного металла не ведет к увеличению пор. На рисунке 6 представлено изображение микроструктуры сплава 2319 после прокатки с различным усилием и термической обработки.
а V * М 1 , .. ■ м . * ^ ..* - ; . * * * в
Г 1 д е Я- МЧпя
Рис. 6. Микроструктура сплава 2319 а) без прокатки и без термообработки, б) без прокатки с термообработкой, в) - д) с прокаткой с усилием 15 кН, 30 кН, 45 кН, соответственно, е) с прокаткой 45 кН и
термической обработкой
Вывод
Дефект в виде пор в наплавленном металле является серьезной проблемой при выращивании изделий электродуговым методом. Данного вида дефекты являются концентраторами напряжений, возникающих в результате нагрузки детали и способствующие ее разрушению.
По результатам анализа работ можно сделать вывод, что при выращивании изделий с минимальным количеством дефектов рациональнее всего использовать технологию CMT-PADV с правильно подобранным режимом. Альтернативный
46
способ эффективного уменьшения пористости является послойная механическая обработка с последующей термообработкой, способствующая не только уменьшению пористости, но и увеличению прочности наплавленного металла.
При аддитивном выращивании с использованием способа GTIG большое влияние на пористость оказывает присадочная проволока с положительным потенциалом относительно наплавленного металла.
Список литературы
1. Клячкин Я.Л. Сварка цветных металлов и их сплавов. М.: Машиностроение, 1964. 335 с.
2. Ryan E.M., Sabin T.J. The influence of build parameters and wire batch on porosity of wire and arc additive manufactured aluminium alloy 2319 // Journal of Materials Processing Technology, 2018. № 262. С. 577-584.
3. Baoqiang C., Jialuo D. Effect of arc mode in cold metal transfer process on porosity of additively manufactured Al-6.3%Cu alloy // Int J Adv Manuf Technol., 2015. № 76. С. 1593-1606.
4. Rui F., Shuiyuan T. Hot-wire arc additive manufacturing of aluminum alloy with reduced porosity and high deposition rate // Materials & Design, 2021. № 199. C. 344.
5. Jianglong G., Jialuo D. The effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on porosity in additively manufactured aluminium alloys // Journal of Materials Processing Technology, 2016. № 230. С. 26-34.
6. Jianglong G., Shouliang Y. Micropore evolution in additively manufactured aluminium alloys under heat treatment and inter-layer rolling // Materials & Design, 2020. № 186. C. 25-37.
