Додаткова_література / Додаткова література / tsp

значительно выше температуры плавления металла, а периферийные участки и задняя часть ее имеют температуру, близкую к точке плавления.

Сварочная ванна второго типа образуется при электрошлаковой сварке с принудительным формированием шва. Такая ванна заключена между свариваемыми кромками основного металла и охлаждающими стенками медных ползунов.

Искусственное охлаждение ванны придает чашеобразную симметричную форму и весьма существенно влияет на процессы первичной кристаллизации жидкого металла. В отличие от ванны первого типа, здесь верхняя часть ванны в процессе ее перемещения все время находится в жидком состоянии, что создает благоприятные условия для более полного удаления из металла шлаковых включений и газов.

Ее отличительные особенности:

1.Ванна имеет значительно больший объем и, следовательно, металл дольше находится в расплавленном состоянии.

2.Температура ванны в различных ее участках почти одинакова и близка к температуре плавления металла.

3.Поверхность ванны полностью изолирована от контакта с газовой фазой, так как над ванной распложен значительный слой жидкого шлака.

4.2Перенос электродного металла в сварочную ванну.

Характер переноса существенно влияет на степень развития физико- химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз, а также на устойчивость самого процесса сварки.

Через газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера – диметром от 6 – 7 мм до тысячных долей мм, а также в виде паров. Главные формы переноса: крупно- и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный без короткого замыкания, струйный.

Процесс крупнокапельного переноса в общем случае включает следующие моменты (рис.4.1):

а, б – образование капли на торце электрода; в – появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом

электрода; г – замыкание каплей дугового промежутка;

д – разрыв образованного мостика и возникновение дуги.

В период формирования капли на нее действуют несколько сил (рис. 4.2):

Сила тяжести Р способствует отрыву капель при сварке в нижнем положении и противодействует отрыву при потолочной сварке.

Электродинамические силы Nэд являются результатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного поля, оказывающего сжимающее действие на электрод (пинч-эффект). В результате их действия появляется дополнительная продольная сила Nдоп, направленная от меньшего сечения капли, имеющей радиус r0, к большему с радиусом r1.

71

Рис. 4.1. Схема образования капли и переноса ее в сварочную ванну.

Рис.4.2. Схема действия сил на формирующуюся каплю

Результирующая электродинамическая сила, направленная вдоль оси электрода в сторону ванны:

Nэд = 1,02*10-5I2ln(r1/r0) дин.

При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряжение падает, а ток резко возрастает, эта сила также интенсивно увеличивается, но оказывается направленной от центра мостика вверх и вниз. Действующая вниз сила будет больше силы, направленной вверх, так как поверхность ванны значительно больше, чем поверхность электрода. Поэтому электродинамическая сила действует в направлении отрыва капли, вытягивает ее и заставляет перемещаться вдоль оси дуги в сварочную ванну.

Сила поверхностного натяжения Nп.н. в процессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового промежутка

поверхностное натяжение металла ванны втягивает каплю и тем способствует отрыву ее от торца.

При сварке толстопокрытыми электродами к главным силам добавляется сила

Nг.п. давления газового потока и сила реакции газов Nр.г., выделяющихся из капли.

При этом плавление обмазки несколько отстает от плавления стержня и на торце электрода появляется своеобразная «трубка» или «козырек». Выделяющиеся газы (СО2, Н2, СО, О2 и др.) нагреваются, расширяются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне. Так как газовый поток симметричен относительно столба дуги, капля формируется в центре торцевой поверхности электрода.

При автоматической сварке под флюсом на каплю действуют те же силы, но несколько меняется направление и величина некоторых из них (рис. 4.2,б). Вследствие того, столб дуги наклонен, результирующая электродинамическая сила Nэд направлена по продольной оси дуги в сторону ванны. Под действием этой силы каля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток направлен от передней части сварочной ванны назад. Сила Nг.п. давления газового потока, суммируясь с

72

силой Nр.г. реакции газов, выделяющихся из капли, создает результирующую силу Nг воздействия газовых потоков.

Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать.

Главной силой, удерживающей каплю на электроде, является сила поверхностного натяжения. Удельное поверхностное натяжение для различных металлов различно и зависит от их природы. Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных щелочноземельных металлов, свободный кислород и др.

обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидкости и тем самым уменьшать силы поверхностного натяжения. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается.

Увеличение сварочного тока значительно влияет на силы отрыва:

1.Растут электродинамические силы Nэд;

2.Увеличивается сила Nг.п. давления газовых потоков;

3.Нарастают процессы газообразования в капле и испарения.

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель плотности

тока в электроде. При некотором его значении, называемом критическом, капельная форма переноса переходит в струйный. Подобная форма переноса наблюдается в аргоне и его смеси с кислородом. Переход от капельного переноса к струйному объясняется увеличением диаметра столба дуги, когда активное пятно охватывает боковую поверхность электрода. Тогда конец электрода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос.

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем меньше капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой. Однако в таком случае время существования капель уменьшается, а потому снижается и полнота протекания реакций.

А.А.Ерохин изучал влияние режима сварки на частоту перехода капель и время их существования на торце электрода при ручной электросварке. При увеличении тока от 110 до 300 А удельная поверхность капель изменяется незначительно, но время существования капли на торце электрода уменьшается в 1,6 раза. Увеличение напряжения на дуге в интервале 14 – 27 В уменьшает удельную поверхность капель в 2,2 раза, увеличивая время их существования в 8,3 раза. Таким образом, на развитие реакций в каплях особенно сильно сказывается напряжение на дуге.

При электрошлаковой сварке применяют большие плотности тока (100 – 120 А/мм2), поэтому нагрев электрода более интенсивный. Погруженный в шлаковую ванну, он плавится не только с торца, но и с боковой поверхности, приобретая заостренную форму. Формируясь, капля увеличивается за счет расплавления конца электрода и стекания металла по боковой поверхности электрода. На каплю действуют те же основные силы: сила тяжести, электродинамическая сила и сила поверхностного натяжения, зависящая от свойств жидкого шлака.

С увеличением размера капли на конце электрода возрастают силы тяжести и поверхностного натяжения. Вблизи границы капли с твердым металлом электрода появляется шейка. Плотность тока в ее сечении возрастает, что приводит к

73

увеличению электродинамической силы. Под действием этой силы капля приобретает некоторое ускорение. Жидкий шлак тормозит движение капли и приобретает часть ее импульса. В связи с торможением средне количество капель на единицу длины пути возрастает. При этом возможно слияние капель между собой, что приводит к изменению проводимости шлаковой ванны.

На размер переносимых через шлак капель влияет величина тока, напряжение дуги, диаметр электродной проволоки, химический состав электродной проволоки и шлака. Уменьшение сварочного тока снижает температуру торца электрода и величину электродинамической силы, что приводит к укрупнению капель. Повышение напряжения вызывает уменьшение размера капель.

4.3 Газовая фаза в зоне сварки плавлением

Физико-химические процессы, протекающие в газовой среде, оказывают большое влияние на качество сварки. К числу важнейших процессов относятся: диссоциация газов, их растворение в жидком металле, различны химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с металлом.

Диссоциация газов. Диссоциация газов сопровождается поглощением тепла, т.е. являются эндотермическими.

2Н ↔ Н2 + 103,8 ккал/моль; 2О ↔О2 + 118,2 ккал/моль;

2N ↔ N2 + 170,2ккал/моль.

Энергия, затрачиваемая на диссоциацию молекулы азота, наиболее высока и поэтому молекула его самая прочная.

Константа равновесия процесса диссоциации, например водорода, при постоянном давлении р:

К р =	рН2	.
	рн2

Диссоциация двухатомных газов имеет большое значение, поскольку:

1.В атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую активность и легко взаимодействуют с расплавленным металлом.

2.Параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне высоких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где температура значительно ниже, идет обратный процесс образования молекул из атомов, сопровождающийся выделением тепла.

Рассмотрим диссоциацию водорода. Пусть в некотором объеме при заданной температуре находилось n молекул водорода. При степени диссоциации α = nдис/n,

получаем число частиц

2αn + (1 – α)n = 2α + 1 – α = 1 + α.

Парциальное давление для

pH = 12α+ α p;

для молекул водорода

p	H2	=	1	−α	p.
		1		+ α

74

Отсюда

	К р	=		4α 2		р
			1−α		2
	и
	α =			К р			.
			К р + 4 р

Для определения Кр часто используют эмпирические формулы (для водорода уравнение Нернста):

lg K	pH2	=	22570	−1,504lgT − 0,767.
			T

Аналогично протекают процессы диссоциации трехатомных газов, из которых в сварочных процессах обычно участвуют пары воды и углекислый газ.

Водяной пар диссоциирует по уравнению

2Н2 +О2 = 2Н2О + 115,6 ккал/моль, или Н2 +1/2 О2 = Н2О + 57,8 ккал/моль.

Константа равновесия этой реакции

		pH2	1/ 2		13154
lg K p	= lg		pO2	= −			+ 3,045.
		pH2O				T
Если упругость диссоциации			водяного				пара превышает упругость

диссоциации оксида металла (рО2(МеО)< рО2(Н2О)), то металл окисляется за счет кислорода диссоциированного водяного пара:

Ме + Н2О → МеО + Н2.

Если же упругость диссоциации водяного пара меньше упругости диссоциации оксида металла (рО2(МеО) > рО2(Н2О)), металл будет восстанавливаться из оксида водородом диссоциированного водяного пара:

МеО + Н2 → Ме + Н2О.

С увеличением температуры степень диссоциации водяных паров увеличивается и при 5000 0К приближается к единице.

Углекислый газ при высоких температурах при высоких температурах диссоциирует по реакции

СО + ½ О2 ↔ СО2 + 67,65 ккал/моль.

lg K p	= lg	pCO pO21 / 2	= −	14545		+ 4,405.
		pCO2			T

Задаваясь температурами, с помощью этого уравнения можно определить соответствующий им состав газов. На рис. 4.4 приведен результат таких расчетов для интервала 1800 – 4000 0К. В области температур более 4000 0К газ почти полностью диссоциирован, а вблизи поверхности сварочной ванны (при температуре 1800 – 2000 0К) диссоциация его незначительна.

75

Рис. 4.4. Состав газов СО2, СО, О2 и содержания СО от температуры.

В зависимости от парциального давления кислорода направления реакции может определять окислительный или восстановительный характер среды. Если рО2(МеО)< рО2(СО2), то будут развиваться окислительные процессы:

Ме + СО2 → МеО + СО.

При рО2(МеО) > рО2(СО2) среда проявляет восстановительные свойства: МеО + СО → Ме + СО2.

Парциальное давление кислорода в этой реакции зависит от температуры, давления и отношения СО2 и СО:

		æ	p	CO2	ö
		ç			÷
	pO2 (CO2 ) =	f çT , p,			÷.
			pCO
		è			ø

С увеличением температуры Т и отношения рСО2/(рСО), а также с уменьшением давления р в системе, растет окислительная способность среды. Однако наличие твердого углерода (например, в виде угольного углерода) весьма снижает эту способность, так как энергично развивается реакция

СО2 + С ↔ 2СО – 41,1 ккал/моль.

На рис. 4.3,б дана кривая зависимости содержания СО от температуры в присутствии твердого углерода. Уже при 11000К содержание СО в газовой смеси приближается к 100 %. Следовательно, создается восстановительная для металла среда:

МеО + СО ↔ Ме + СО2.

Кроме рассмотренных газов в дуговом промежутке всегда имеется определенное количество паров металла. Для определения давления паров металла при различных температурах пользуются уравнением Клапейрона – Клаузиуса

lg p = - 4,D575H T + B,

где р – давлении паров жидкости;

∆Н – теплота испарения; В – постоянная, зависящая от вещества (табл. 4.1).

Таблица 4.1 Значения ∆Н и В для некоторых металлов

	Металл	Zn	Mg	Pb	Al	Mn	Cr	Cu	Fe
	Теплота испарения в	27430	32250	42060	61020	55150	76630	72800	8462
	кал/моль
	Постоянная в ат	5,081	5,158	4,558	5,727	4,975	6,075	5,552	6,14
				76

Если в сплаве имеется несколько элементов, то наиболее сильно будет испаряться тот элемент, который имеет наименьшую упругость пара. В соответствии

с законом Рауля

ра = p0aNa,

где ра – давление пара жидкости а в растворе; р0а – давление пара чистой жидкости а; Na – молярная доля жидкости а в растворе.

Табл. 4.2.

Давление паров элементов (сплав Fe – 97%, Cr – 1%, Cu – 1%, Mn – 1%) Расчет при Т = 22730К

Элементы	Количество	Молярны	Давление паров	Давление паров в
	в вес. %	е доли эл.	чистых	расплаве
			металлов в ат	В ат	В %
Железо	97	0,97	0,00986	0,00956	63,0
Хром	1	0,0109	0,04742	0,000516	3,4
Медь	1	0,089	0,03327	0,000287	1,9
Марганец	1	0,0102	0,47832	0,00481	31,7

Давление паров легко испаряющихся элементов даже при их незначительной концентрации достаточно велико. Так при концентрации марганца 1 % давление его паров при температуре 20000С составляет около половины паров железа, концентрация которого 97 % (табл. 4.2). При более высоких температурах испарение марганца будет еще интенсивней, что приведет к значительной его потере. Поэтому

состав наплавленного металла только в результате испарения будет сильно отличаться от исходного.

Насыщение расплавленного металла газами происходит как в каплях, так и в ванне. В ванне эти процессы протекают менее интенсивно:

1.температура ванны ниже температуры капель; 2.для ванны отношение поверхности реакции к объему значительно меньше,

чем для капель.

С увеличением температуры металла повышается и растворимость газа в нем, причем в каплях эта растворимость может достигать значительной величины. Однако при температурах, близких к температуре кипения металла, растворимость газа заметно падает и в момент кипения становится равной нулю.

Механизм растворения газов в жидком металле слагается из отдельных, протекающих последовательно стадий:

1)адсорбции атомов газа поверхностью металла;

2)взаимодействия адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом – образования растворов и химических соединений (эти процессы называются

хемосорбцией);

3)отвода продуктов хемосорбции вглубь жидкого металла.

4.4 Взаимодействие металлов с кислородом при сварке сталей плавлением

77

Железо с кислородом образует три оксида

2Fe + O2 ↔ 2FeO (закись, содержащую 22,7 % О2); 6FeO + O2 ↔ 2Fe3O4 (закись-окись, содержащую 27,64 % О2);

4Fe3O4 + O2 ↔ 6Fe2O3 (окись, содержащую 30,06 % О2).

Из этих трех оксидов только закись FeO растворима в железе и поэтому наиболее сильно влияет на его свойства. Остальные оксиды в железе не растворяются, могут в нем присутствовать в виде отдельных включений и легко разлагаются при высоких температурах. При температуре плавления железа предельная растворимость кислорода в нем составляет 0,17 %, а при комнатной температуре – тысячные доли процента.

Источниками окисления металла при сварке являются:

1.Свободнй кислород в газовой фазе (кислород воздуха при недостаточной защите; наличие сложных газов СО2, Н2О, способных при диссоциации выделять кислород).

2.окислы, находящиеся на расплавляемых кромках свариваемого металла и на присадочном материале.

3.Окислы, находящиеся в шлаке и растворимые в металле.

4.Химически активные шлаки, отдающие кислород металлу в результате обменных окислительно-восстановительных реакций.

Окисление металла свободным кислородом газовой фазы происходит согласно реакции nMe + O2 = mMen/mO2/m. Если металл и окисел являются конденсированными фазами (твердой или жидкой) то константа равновесия Кр такой реакции окисления определяется только парциальным давлением кислорода рО2,

соответствующим упругости диссоциации окисла при данной температуре и давлении, т.е. Кр = ро2. Зависимость lg po2 = f(T) для различных температур дана на рис. 4.5.

Прочность окисла тем больше, чем меньше упругость диссоциации. Так как упругость диссоциации окислов, расположенных в верхней части рис. 4.5, при конкретной температуре больше чем расположенных ниже, их сродство к кислороду меньше (о сродстве к кислороду судят по количеству работы, которую надо затратить на разрушение окисла этого элемента). Поэтому при контакте металла Ме1 с большим сродством к кислороду с окислом другого металла Ме2, имеющим меньшее сродство к кислороду, возможна реакция

Ме1 + Ме2О = Ме1О + Ме2.

На этой основе в сварочных процессах осуществляется раскисление, причем элемент Ме1 по отношению к элементу Ме2 является раскислителем.

78

Рис. 4.5. Зависимость упругости диссоциации оксидов от температуры.

Расположим в ряд металлы по убывающей величине сродства к кислороду: Cu, Ni, Fe, Mo, Cr, Mn, Si, Ti, Al, Mg, Ca, C (при высоких температурах).

Возможность окисления или восстановления какого-либо элемента в результате его взаимодействия с газовой фазой, содержащей свободный кислород, при конкретных внешних условиях (при сварке при различных температурах) определяется сопоставлением упругости диссоциации окисла рО2(МеО) = рО2 и парциального давления свободного кислорода в газовой фазе [рО2]. В случае, если давление [рО2] > рО2 больше упругости диссоциации окисла, то будет происходить окисление; при [рО2] < рО2 – восстановление.

Упругость диссоциации окислов, находящихся в растворе, р!О2 отличается от упругости диссоциации свободных окислов рО2. При этом

!	= pO2	[%FeO]2
pO2			.
		[%FeO]max2

Взнаменателе стоит предельное насыщение металлического раствора

окислом.

Ввоздухе содержится кислорода примерно 20% т.е. [рО2] = 0,2 кгс/см2 и он

является сильным окислителем для железа в сварочных условиях [рО2] > рО2.

Окисление металла в зоне плавления поверхностными окислами

осуществляется переплавлением окислов, находящихся на кромках и на поверхности присадочного металла. При расплавлении кромок основного металла, поверхность которого покрыта окислами, в сварочную ванну попадают вносимые ими дополнительные количества кислорода, приводя к большей окисленности сварочной ванны. Аналогично вводится кислород и в случае наличия окислов на присадочном металле.

В целях максимального исключения усиления окисленности ванны и металла шва такими окислами поверхности основного металла, подлежащие расплавлению при сварке, должны предварительно зачищаться механическим способом. Присадочная проволока очищается от окислов либо механическим способом, либо травлением.

79

Окисление металла окислами, находящимися в шлаке и растворимыми в металле, происходит в связи с перераспределением таких окислов между шлаком и металлом. Такой свободный окисел стремится к распределению между металлической и шлаковой фазами, определяемому константой распределения LMeO = (MeO)/[MeO], где [МеО] и (МеО) – соответственно концентрации этих окислов в металле и шлаке. Эта константа изменяется с температурой. Для FeO эта зависимость

выражается формулой

Lg1/LFeO = lg[FeO]/(FeO) = -(6300/T) + 1.386.

При изменении температуры от Тпл железа до 25000С величина константы возрастает от 0,011 до 0,125.

Окисление химически активными по кислороду шлаками происходит в связи с

обменными реакциями типа (Ме!!хОу) + у[Ме!] = у(Ме!О) + х[Ме!!].

При сварке углеродистых сталей по такой схеме происходят кремне- и

марганцевосстановительные процессы пи наличии в шлаке значительных количеств SiO2 и MnO. В случае наличия в металле элементов с более сильным сродством к

кислороду их окисление кремнеземом и закисью марганца может быть очень интенсивным. При сварке сталей, содержащих элементы с весьма большим сродством к кислороду (Al, Ti), их выгорание может происходить почти полностью.

Окисленность жидкого металла в сварочной зоне зависит от содержания в нем элементов – раскислителей. Раскислителями являются элементы с большим сродством к кислороду, чем металл, являющийся основой сплава. Никель

раскислителем для железа быть не может и его выгорание при сварке сплавов на железной основе должно быть ничтожным. Марганец уже при концентрациях более 0,5 % при 23000С и около 0,1 % при 15400С имеет меньшую упругость диссоциации окисла, чем насыщенное кислородом железо, и может выступать в качестве раскислителя, отбирающего кислород от железной основы. Хром действует слабее, чем марганец. Более сильными раскислителями железа являются кремний титан алюминий. При высоких температурах наиболее сильным раскислителем становится углерод.

В связи с тем, что сродство элементов к кислороду с повышением температуры уменьшается, концентрация кислорода в расплавленном металле при высоких температурах может быть значительной. При снижении температуры в хвостовой части ванны раскисляющая способность элементов – раскислителей

усиливается и реакции смещаются в сторону связывания кислорода этими элементами. Продукты этих реакций, являясь практически нерастворимыми в металле, выпадают в виде отдельной фазы. Такое раскисление носит название

осаждающего.

Частицы выпавших окислов могут удаляться всплыванием или выталкиванием растущими кристаллами или остаются в затвердевшем металле в виде шлаковых включений.

Продукты раскисления углеродом являются газообразными. При их выделении хвостовая часть ванны пузырится (кипит), а пузыри, не успевшие удалиться из затвердевшего металла, образуют в металле поры, наполненные газом.

80