книги / Теория сварочных процессов

металла, а значит, металл дольше находится в расплавленном состоянии. В среднем вес металла электрошлаковой ванны составляет 450– 500 г. Температура в различных участках такой ванны одинакова и близка к температуре плавления металла. Условия протекания металлургических реакций в таких сварочных ваннах близки к равновесным и поэтому расчеты с использованием термодинамических данных не дают больших погрешностей.

2.3.Распределение температур в сварочной ванне

икапле электродного металла

Свойства различных зон сварного соединения во многом определяет термический цикл сварки (СТЦ) (рис. 2.3). Его основные параметры – максимальная температура СТЦ, скорость нагрева и охлаждения, время пребывания металла выше заданной температуры – влияют на структуру металла сварного шва и зоны термовлияния.

При ручной дуговой сварке, по данным И.К. Походни и И.И. Фрумина, существуют три температурные зоны. На рис. 2.3 показана схема распределения температуры по длине сварочной ванны.

Рис. 2.3. Схема распределения температуры по длине сварочной ванны: I – высокотемпературная зона, II – промежуточная зона, III – периферийная зона

На рис. 2.3 обозначены:

I – высокотемпературная зона вблизи столба дуги. Температура столба дуги – 5000…8000 °С, температура металла в этой зоне выше температуры его кипения (температура кипения для железа 3040 °С, для алюминия – 2460 °С, для титана – 3250 °С);

31

II – промежуточная зона с температурой 1800…2000 °С;

III – периферийная зона, температура в которой близка к температуре плавления металла. Средняя температура сварочной ванны при разных видах сварки приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Температура сварочной ванны и капель электродного металла для различных видов сварки

Термический цикл сварки во многом определяет свойства различных зон сварного соединения, поэтому расчет его основных параметров (максимальная температура СТЦ, скорость нагрева и охлаждения, время пребывания металла выше заданной температуры представляет значительный практический интерес. Так, например, при сварке сталей при температурах более 1000 °С растет аустенитное зерно, что приводит к охрупчиванию стали. Степень роста зерна зависит от максимальной температуры СТЦ и времени пребывания стали при температуре выше 1000 °С. Структурное состояние стали (степень закалки) определяется скоростью охлаждения в интервале температур минимальной устойчивости аустенита (около 500 °С). Температура капель электродного металла на 500…800 °С выше средней температуры ванны. Температура сварочной ванны и капель электродного металла для различных видов сварки показана в табл. 2.2.

2.4. Перенос электродного металла в сварочную ванну

Характер переноса электродного металла в сварочную ванну влияет на полноту физико-химических процессов взаимодействия металлической, шлаковой и газовой фаз, а также на устойчивость процесса сварки.

32

Существуют следующие виды переноса электродного металла:

–капельный (крупно- и мелкокапельный) с короткими замыканиями дугового промежутка;

–капельный без коротких замыканий;

–струйный;

–перенос через газовую фазу.

Наиболее благоприятным с позиций стабильности процесса горения дуги и качества формирования шва является мелкокапельный перенос. Рассмотрим факторы, способствующие получению мелкокапельного переноса электродного металла.

На рис. 2.5 представлена схема крупнокапельного с короткими замыканиями переноса электродного металла. На схеме показано измене-

ние напряжения дуги Uд и тока сварки Iсв в ходе процесса. По мере формирования капли напряжение дуги несколько снижается, так как капля растет и длина дуги уменьшается, сила тока немного увеличивается. В момент короткого замыкания каплей дугового промежутка напряжение равно нулю (Uд = 0), сила тока максимальна – ток короткого замы-

кания Iк.з. Далее процесс горения дуги возобновляется, начинается формирование новой капли электродного металла.

Iсв

Iсв

Uд

τ

Рис. 2.5. Схема крупнокапельного с короткими замыканиями переноса электродного металла в сварочную ванну

33

На этапах I–II на каплю действуют сила тяжести Р, сила поверхностного натяжения Nп.н и электродинамическая сила Nэд. Электродинамическая сила является результатом наличия электромагнитного поля вокруг электрода при протекании по нему тока. Она оказывает сжимающее действие на каплю. На этапе III в момент отрыва сила Nэд направлена от центра мостика вниз и вверх. В нижнем направлении эта сила больше, что способствует отрыву капли. В момент замыкания сила Nп.н стягивает каплю, что также способствует отрыву.

Размер капли определяется соотношением всех сил – и удерживающих, и отрывающих каплю. Из удерживающих сил основной явля-

ется сила поверхностного натяжения Nп.н. Она зависит от поверхностного натяжения электродного металла и температуры капли. Уменьшить эту силу можно введением поверхностно-активных веществ (щелочноземельных металлов, их углекислых солей), а также повышением тока сварки. Отрывающая электродинамическая сила Nэд возрастает с увеличением сварочного тока, и, следовательно, размер капли уменьшается. Увеличение напряжения также способствует измельчению капель. Чем

трошлаковой сварки – мелкокапельный (при малых токах) и крупнокапельный (при больших токах).

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель не только величины, но и плотности тока. При некотором критическом его значении капельная форма переноса переходит в струйную. Подобная форма переноса наблюдается при сварке в аргоне. В.И. Дятлов объясняет переход от капельного переноса к струйному увеличением раз-

мера dc столба (рис. 2.6), когда активное пятно охватывает боковую поверхность капли и увеличиваются сжимающие силы. Тогда конец

34

электрода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос.

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, полнее взаимодействие с этой средой (растворение газов, процессы легирования, окисления и др.). Однако нельзя забывать, что в таком случае время существования капель уменьшается, а потому снижается и полнота протекания реакций.

2.5. Взаимодействие металла с газовой фазой при сварке

Несмотря на принимаемые защитные меры, полностью исключить попадание воздуха в зону сварки невозможно при любых методах. При сварке под флюсом, покрытыми электродами и электрошлаковой сварке воздух проникает через слой флюса или шлака. При сварке в СО2 и аргоне существует подсос воздуха вследствие турбулентности, а также примеси воздуха в самом защитном газе. Таким образом, в газовой атмосфере дуги содержится минимум 3 % воздуха. Взаимодействие расплавленной сварочной ванны с газами воздуха, неизбежное при сварке, влияет на состав металла шва и его свойства.

В состав газовой фазы входят:

–газы воздуха (азот, кислород, водород, пары воды);

–газы, образующиеся при плавлении и испарении покрытий электродов и флюсов;

–газы – продукты химических реакций в сварочной ванне;

–газы из адсорбированной влаги и загрязнений на металле;

–пары металла.

При взаимодействии газов с расплавленным металлом возможны следующие два случая:

1)растворение газа (т.е. образование растворов водорода, кислорода и др. в металле);

2)образование химических соединений (оксидов MeO, нитридов MeN гидридов MeH на поверхности и в объеме металла).

И тот, и другой тип взаимодействия с газами опасен и приводит

кпотере свойств металла сварного соединения.

Условно взаимодействие газов с металлами разделяют на следующие стадии:

–доставка молекул газа к поверхности металла;

–диссоциация молекулярного газа на атомы;

–адсорбция атомов на поверхности металла;

–растворение атомарного газа в металле;

35

– диффузия атомов в глубь металла.

Рассмотрим наиболее значимые стадии – диссоциацию и растворение – более подробно.

2.5.1. Диссоциация газов

Высокая температура в зоне сварки создает условия для диссоциации двух- и трехатомных газов. Диссоциацией называют распад молекулярных газов на атомы. В атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую активность и легко взаимодействуют с жидким металлом электродных капель и сварочной ванны. Если атом газа теряет электроны с внешнего уровня и становится ионом, то процесс называют

термической ионизацией.

Диссоциация – процесс эндотермический, выражается уравнением химических реакций с соответствующими константами равновесия:

Количественной характеристикой процесса диссоциации является величина степени диссоциации α – это отношение числа диссоциированных молекул к числу первоначальных, т.е. α ≤ 1. Степень диссоциации связана с константой равновесия Kр реакции диссоциации и внешним давлением Р следующим соотношением:

C увеличением внешнего давления степень диссоциации уменьшается. Степень диссоциации зависит также от температуры: α увеличивается с ростом температуры Т для любого газа из атмосферы дуги. Ориентировочная зависимость степени диссоциации водорода, кислорода

и азота от температуры приведена на рис. 2.7.

Таким образом, вблизи столба дуги в высокотемпературной зоне идет процесс диссоциации газов (азот и кислород диссоциированы поч-

ти полностью, αН2= 0,96 αО2 = 0,80). В сварочной ванне, где температу-

ра ниже, идет обратный процесс образования молекул из атомов, называемый рекомбинацией.

36

При дуговом нагреве одноатомные газы и пары металла подвергаются также термической ионизации, образуя плазму из заряженных ионов и электронов. Это облегчает стабильное горение дуги. Потенциалы ионизации ряда газов и паров приведены в табл. 2.3. Для щелочных металлов (калий К, натрий Na, калий К), кальция Ca, титана Ti и др. потенциал ионизации мал, составляет 4…6 эВ. Поэтому эти металлы являются стабилизирующими в составе сварочных материалов. От них резко отличаются аргон, потенциал ионизации которых достигает больших значений (15…24 эВ). При смешивании этих газов потенциал ионизации существенно снижается.

2.5.2. Растворение газов в металлах

Газы растворяются в металле только в атомарном виде. Реакцию растворения газа в жидком металле записывают в следующей форме:

{Г} [Г],

где {Г}– атомарный газ над поверхностью металла; [Г] – растворенный в металле газ.

Процесс растворения газов подчиняется закону Генри: содержание атомарного газа в металле [Г] пропорционально его парциальному дав-

лению в газовой фазе Р{Г}, т.е.

[Г] = KР{Г} (закон Генри),

где K – константа Генри, зависящая только от температуры и связанная с энергией Гиббса растворения газа ∆Gрас соотношением

ln K = − ∆GRTрас .

Если растворяется двухатомный газ, то реакцию его растворения в жидком металле записывают в следующей форме:

{Г2} 2[Г].

Процесс растворения двухатомного газа описывается законом Сивертса:

[Г] = K Р{Г2} (закон Сивертса),

где Р{Г2} – парциальное давление молекулярного газа над жидким ме-

таллом, ат.

Содержание газов в металле измеряют в кубических сантиметрах на 100 г либо в массовых процентах (мас.%): 1 см3/ 100 г = 0,001 мас.%.

Растворимость газов в металле зависит от температуры. С увеличением температуры содержание растворенного в металле газа растет:

38

где [Г] – содержание газа в металле; А – константа, зависящая от рода газа; Q – теплота растворения газа; R – универсальная газовая постоянная.

Однако при температурах полиморфного превращения и температурах плавления растворимость газа изменяется скачкообразно – это так называемый скачок растворимости. Графики равновесных концентраций водорода и азота в железе, алюминии, никеле и меди при различных температурах (рис. 2.9 и 2.10) показывают, что в жидком металле концентрации газов значительны, а при кристаллизации железа (1539 °С) резко падают. Это создает риск образования пор при ускоренной кристаллизации. Особенно велик перепад растворимости для водорода в твердом и жидком алюминии, что объясняет его повышенную склонность к образованию пор в условиях дуговой сварки.

Рис. 2.9. Растворимость водорода и азота в железе при парциальном давлении РН2 = РN2 = 0,1 МПа

Растворимость газов зависит также и от структуры металла, что приводит к скачкообразному изменению растворимости при (α→ γ → → δ)-превращении и переходе от объемно-центрированной кристаллической решетки к гранецентрированной. Например, для растворения водорода и азота в железе (см. рис. 2.9) – при 911 и 1410 °С. Максимум

39

[H2], см3/100 г

Рис. 2.10. Растворимость водорода в железе, меди и алюминии

растворимости азота в железе приходится на 2200 °С, водорода – на 2400 °С. При температуре кипения железа – 2700 °С растворимость газов в железе равна нулю.

2.5.3. Кислород в металлах при сварке

Характер окисления металлов при сварке различен.

Алюминий и магний практически не растворяют кислород ни

втвердом, ни в жидком состоянии. При их окислении образуются либо оксидные пленки на поверхности, либо частицы оксида, взвешенные

вжидком металле.

Железо, медь, никель, титан растворяют кислород ограниченно. Растворимость в жидкой фазе этих металлов больше, чем в твердой,

ис повышением температуры растет. Это означает, что взаимодействие с кислородом наиболее интенсивно идет в каплях электродного металла

именее – в хвостовой части ванны. Поглощенный кислород содержится в этих металлах в виде раствора (очень немного), в виде оксидов низ-

шей валентности – Ti2O, FeO, и в виде неметаллических эндогенных включений.

Окисление металла свободным кислородом газовой фазы идет по реакции:

2Ме + О2 2МеО.

40