3. Способы регулирования первичной структуры сварного шва

1.Основной способ – воздействие на дугу и на металл сварочной ванны переменного внешнего магнитного поля.

2. Реже применяется механическая вибрация: электрода, присадочного материала, свариваемого изделия.

3.Положительно влияет на измельчение зерна импульсный режим питания сварочной дуги: разделяются процесс плавления и кристаллизации сварочной ванны.

Переменное внешнее магнитное поле вызывает:

а) колебание электрической дуги

б) вихревое движение жидкого металла сварочной ванны, возникающих под действием электромагнитных сил в объеме ванны.

Направление вихревого движения жидкого металла меняется с частотой внешнего магнитного поля. Перемещения жидкого Ме в сварочной ванне вызывает оплавление ранее выросших дендритов, измельчение кристаллитов.

Например, при сварке неплавящимся электродом в среде аргона стали 12Х18Н10Т при применении внешнего переменного магнитного поля, размер кристаллитов уменьшается в 3-4 раза.

d – средний размер кристаллита

f – частота внешнего магнитного поля

Химическая неоднородность сварного шва.

Даже в случае равновесной кристаллизации слои, кристаллизовавшиеся раньше, обеднены легирующими элементами и примесями, слои, кристаллизовавшиеся позднее напротив будут обогащены. Таким образом, возникает химическая неоднородность сплава.

При сплаве кристаллизация всегда протекает неравновесно, что усиливает химическую неоднородность сварного шва, т.к. выравнивание разности концентраций в жидком сплаве не успевает проходить, растворенный элемент в большей степени обогащает те объемы жидкости, которые кристаллизуются позднее. Это обычно междуосные пространства донного дендрита или междендритные пространства.

Такую микроскопическую неоднородность называют внутрикристаллической ликвацией.

С_i – концентрация легирующего элемента или примеси

С_то - концентрация легирующего элемента или примеси до сварки

С_т - концентрация легирующего элемента или примеси в ранее закристаллическом объеме

С_ф - концентрация легирующего элемента или примеси на межфазовой границе

С_ж - концентрация легирующего элемента или примеси в отсавшемся объеме жидкости

δ_эф – эффективная ширина пограничного слоя δ_эф≈ 10^-3 см.

R=

4. Физические процессы в катодной области дуги.

Переходные области между электродами и столбом дуги- это участки резких изменений электрического и теплового полей.

В зависимости от материала катода сварочные дуги подразделяют на два основных типа:

1. Дуга с неплавящимся катодом (W, C, Zr, Hf)

Чаще применяют W, с добавками To, Y, La, уменьшающими работу выхода электронов.

2. Дуга с плавящимся катодом.

Как правило, используют проволоку, близкую по химсоставу с материалом свариваемого изделия.

1)Дуги с неплавящимся катодом.

Для W: Т_пл=3650К, Т_кип=6170К.

Основная цель катода- обеспечить электронную эмиссию, т.е. подать электроны (эмитировать) в столб дуги , где они будут являться основными электро- и теплоносителями.

Основная часть катодного тока обеспечивается за счет термоэлектронной эмиссии (j_тэ до А/см²). При этом катод разогревается попадающими из дуги ионами и атомами.

При неплавящихся катодах, катодное падение напряжения, как правило, при условии достаточного разогрева катода, меньше потенциала ионизации газа, в котором горит дуга- U_k<U_i .

Длина катодной зоны сотсавляет несколько длин свободного пробега электрона l_k (2-3) 10^-5-10^-3мм.

Дуги с неплавящимся катодом подразделяются:

а) Дуги с катодным пятном. (при малом токе и сильном охлаждении катода). В катодном пятне, кроме термоэлектронной эмиссии, большую роль играет электростатическая, и напряжение на дуге (в катодной области) повышенное.

б) дуги без катодного пятна (при больших токах и раскаленном катоде) –

собственно термоэлектронная дуга- вся поверхность катода, обращенная к дуге, эмитирует электроны.

3. Дуги с плавящимся («холодным») катодом.

У Fe, Cu, Al, Ni и др. Ме, применяемых в качестве основы для сплава стержня плавящегося электрода, термоэлектронная эмиссия мала даже при температуре их кипения. В таких дугах преобладает электростатическая эмиссия.

Характерная особенность таких дуг- хаотическое движение дуги по поверхности катода. В месте посещения дуги наблюдается интенсивное испарение материала катода. Потоки паров катода нарушают симметричность магнитного поля дуги и возникают электромагнитные силы, перемещающие дугу по поверхности.

Катодное падение напряжения сравнимо с потенциалом ионизации газа и паров металлов, в которых горит дуга. U_k 10…20 В.

Длина катодной области примерно равна длине свободного пробега иона

l_k 10^-4мм.

Баланс энергии на катоде.

Поскольку эмитированные электроны уносят энергию с катода в столб дуги, то:

P_k= - , где - работа выхода электрона из материала катода, эВ; U_k- катодное падение напряжения , В.

Баланс энергии на катоде.

Поскольку эмитированные электроны уносят энергию с катода в столб дуги, то:

P_k= - , где - работа выхода электрона из материала катода, эВ; U_k- катодное падение напряжения , В.