C, Ti, Al, Mn, Si, Fe, Ni.

Сварочные ванны и их разновидности.

В процессе сварки при местном воздействии источника тепла на основном металле образуется расплавленный участок, который называется сварочной ванной.

Различают сварочные ванны двух типов:

1) сварочная ванна, образующаяся при естественном охлаждении и формировании шва;

2) сварочная ванна, образующаяся при использовании искусственного охлаждения и принудительного формирования шва;

а – открытая (ручная дуговая сварка);

б – закрытая (автоматическая сварка под слоем флюса)

Рис.2.1 – Сварочная ванна первого типа

На Рис. 2.1 показана сварочная ванна первого типа для ручной и авто­матической дуговой сварки под флюсом. При автоматической сварке дуга и сварочная ванна закрыты слоем флюса. Расплавленный слой флюса образует своеобразную полость-пузырь, охваты­вающую зону сварки. Для сварочной ванны этого типа харак­терны эллипсовидные очертания с различной степенью вытянутости вдоль продольной оси.

Стенки ванны образует твердый оплавлен­ный основной металл. Расплавленный металл, находящийся в ванне в начальный период ее существования, частично оттеснен от передней ее стенки к задней, вследствие чего образуется углубление, называемое кратером. По мере удаления источника тепла кратер заполняется жидким наплавленным металлом.

В процессе сварки сварочная ванна пере­мещается в направлении сварки вслед за дугой.

Основными размерами сварочной ванны можно считать ее длину L, ширину В и величи­ну заглубления в основной металл h.

1 –при сварке дугой прямого действия

2 – при сварке дугой косвенного действия

или газовым пламенем

Рис.2.2 – Схема распределения температуры по длине сварочной ванны

Для различных участков ванны время пребывания металла в жидком состоянии различно. Более длительное время находятся в рас­плавленном виде объемы металла, располо­женные на продольной оси ванны, тогда как у ее краев металл кристаллизуется сразу же после расплавления. Распределение темпера­туры по объему сварочной ванны также нерав­номерно, особенно при дуговой сварке. Калориметрическими замерами установле­но, что средняя температура ванны при автоматической дуговой сварке малоуглеродистой стали около 1800 ^оС.

На Рис. 2.2 показано изменение температуры вдоль оси ванны. Передний участок ванны, который находится под непосредственным воздействием дуги, нагрет значительно выше температуры плавления металла, в то время как периферийные участки ванны и задняя её часть имеют температуру, близкую к точке плавления. Если считать, что для стальных электродов средняя температура капель, падающих в сварочную ванну, составляет 2000 – 2300 ^оС, то максимальная температура металла переднего участка ванны, очевидно, будет примерно такой же. Температура ванны при газовой ацетиленокислородной сварке более выровнена и в поверхностных слоях ванны достигает максимального значения около 1600 ^оС.

б) а)

Рис. 2.3 – Сварочная ванна второго типа

Сварочная ванна второго типа (Рис.2.3) образуется при электрошлако­вой сварке (а) и при вертикальной дуговой электросварке под флюсом с принудительным формированием шва (б) (стрелка показывает направление сварки). Такая ванна заключена между свариваемыми кромками ос­новного металла и охлаждаю­щими стенками медных ползу­нов 2, формирующих внешние по­верхности шва 6. Искусственное охлаждение ванны 3 придает ей чашеобразную симметричную форму и весьма существенно влияет на процессы первичной кристаллизации жидкого металла. В отличие от ванны пер­вого типа, здесь верхняя часть ванны все время находится в жидком состоянии в процессе ее перемещения, что создает благоприятные условия для наиболее полного удаления из металла шлаковых включений и газов.

Основными размерами такой ванны являются ее глубина h и ширина b. В зависимости от примененного режима эти пара­метры существенно изменяются.

Кроме отмеченных общих черт, ванны второго типа при шла­ковом и дуговом процессах имеют и отличительные особенно­сти. Так, в условиях шлакового процесса:

1) ванна имеет значительно больший объем расплавленного металла, и следовательно, металл ванны 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 непосредст­венного контакта с газовой фазой, так как над ней расположен значительный слой жидкого шлака.

Перенос электродного металла в сварочную ванну

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

В зависимости от типа сварочной ванны наблюдается пере­нос электродного металла через газовую или шлаковую среду. Механизм переноса в обоих случаях имеет свои особенности.

Электродный металл переносится через газовую среду в виде капель разного размера, диаметром от 6 – 7 до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров. Установлено, что независи­мо от способа сварки и положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие.

В процессе сварки одновременно образуются капли различ­ных размеров, но в зависимости от условий сварки преоблада­ет тот или иной размер.

Можно отметить такие главные формы переноса: крупнокапельный и мелкокапельный – с короткими замыканиями дуго­вого промежутка, капельный – без коротких замыканий, струй­ный, а также перенос металла в виде паров. Установлено, что независимо от способа сварки и положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие.

Схематизируя процесс крупнокапельного переноса электродного металла, можно считать, что его механизм в общем случае включает следующие моменты (Рис. 2.4):

а, б – образование капли на торце электрода;

в – появление шейки на стыке жидкого металла с твердым;

г – замыкание каплей дугового промежутка;

д – разрыв образованного мостика и возникновение дуги.

Рис. 2.4 – Схема образования капли и переноса ее в сварочную ванну

В период формирования капли на нее действуют ряд главных сил, способствующих или препятствующих ее отрыву от торца электрода: си­ла тяжести – Р , электродинамические силы – N_эд, сила поверхностного натяжения – N_пн .

Сила тяжести – Р способствует отрыву капель при сварке в нижнем положе­нии и препятствует в потолочном.

Электродинамические силы N_эд являются результатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного силового поля, оказывающего сжимающее действие на электрод (пинч – эффект). Возникают силы N_эд в результате одновременного действия таких сил:

1) Усилий сжатия N_сж , величина которых зависит от тока:

N_сж = 5,1.10 ^-6I ²,

где I – сварочный ток, А.

Силы N_сж направлены перпендикулярно к оси электрода, но по закону Паскаля одновременно действуют такие же силы, направленные вдоль оси;

2) дополнительной продольной силы – N_доп, возникающей одновременно с образованием шейки и направленной от меньшего сечения капли, имеющего радиус – r₀, к большему радиусу – r₁.

Результирующая элект­родинамическая сила – N_эд, направленная в сторону ванны равна:

N_эд = 1,02.10 ^-5 I ² ln [дин]

При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряжение падает, а ток резко возрастает, сила N_эд, также интенсивно увеличивается, но оказывается направленной вверх и вниз от центра мостика с радиусом r₀. Действующая вниз сила N9_эд будет больше силы N0_эд, направленной вверх, так как поверхность ванны будет значительно больше сечения электрода, а значит:

>> .

Поэтому электродинамическая сила действует в направлении отрыва капли. Она деформирует каплю, вытягивает ее и заставляет перемещаться вперед, вдоль дуги, – в сварочную ванну. Особенно велика роль этой силы при повышенных токах.

Сила поверхностного натяжения – N_nн. в процессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового проме­жутка поверхностное натяжение втягивает каплю и тем самым способствует отрыву ее торца.

Рис. 2.5 – Схема действия сил на формирующуюся каплю

В условиях сварки толстопокрытыми электродами к главным си­лам, действующим на каплю, добавляются сила давления газового потока – N _гп и сила реакции газов, выделяющихся из капли – N _рг.

Сила давления газового потока появля­ется из-за неравномерности плавления стержня и обмазки. Так как плавление обмазки несколько отстает от плавления стержня, то в результате этого на торце образуется своеобразная «труб­ка» или «козырек» (Рис. 2.5, а). Выделяющиеся под козырьком газы (CO₂, H₂, CO, H₂O, O₂) нагреваются, расширя­ются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне. Этот поток стремится оторвать каплю и одновременно является причиной образования кратера в сварочной ванне.

Сила реакции газов, выделяющихся из капли, связана с развити­ем процесса газообразования в самой капле. Установлено, что при плавлении электрода выделяется в среднем 10 см³ газа на 1см³ жидкого металла.

При автоматической сварке под флюсом на каплю действу­ют те же силы, но несколько меняются направление и величина некоторых из них (Рис. 2.5, б). Вследствие наклонного положения столба дуги результиру­ющая электродинамическая сила (N_эд) направлена по продоль­ной оси дуги в сторону ванны. Под действием этой силы капля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток здесь направлен несимметрично относительно оси дуги, а от передней части сварочной ванны – назад. Сила давления газового потока – N _гп, суммируясь с силой реакции газов, выделяющихся из капли – N _pг, создает результирующую силу воздействия газовых потоков – N _г,. Под давлением этой силы происходит отклонение капли в сторону давления газовых потоков: большая часть капель после отрыва от электрода летит в потоке жидкого флюса, ограничивающего зону сварки, к задней части ванны.

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

В процессе формирования капли главной удерживающей силой явля­ется сила поверхностного натяжения. На величину сил поверхностного натяжения влияют:

1) удельное поверхностное натяжение при температуре плавления;

2) наличие поверхностно-активных веществ (соли щелочных и щелоч­ноземельных металлов).

3) температура поверхности капель.

Присутствие поверхностно-активных веществ и увеличение сварочного тока понижает поверхностное натяжение капель. С увеличением свароч­ного тока наблюдается:

1) интенсивное возрастание электродинамических сил.

2) увеличение силы давления газовых потоков

3) нарастание процессов газообразования в капле.

Следовательно, наличие поверхностно-активных веществ и увеличение сварочного тока приводит к росту всех сил отрыва, а значит к измельчению капель.

Примером крупнокапельного переноса является сварка голым электродом на малых токах. При сварке толстопокрытым электродом наблюдается преимуществен­но мелкокапельный перенос металла, капли еще более измельчаются при сварке под флюсом, здесь также наблюдается перенос в виде паров.

При некотором критическом значении тока капельная форма переноса переходит в струйную. При струйном переносе металла конец электрода заостряется в виде конуса, с вершины которого срываются мелкие капли, образующие струю. По мнению проф. Дятлова В. И. плавление электрода происходит за счет выделения тепла в активном пятне (d_с). При малой величине тока (Рис. 2.6, а) диаметр активного пятна меньше диаметра электрода и наблюдается капельный перенос металла.

С увеличением тока диаметр активного пятна растет, в некоторый момент он становится равным диаметру электроду (Рис. 2.6, б). Дальнейший рост тока вызовет перемещение активного пятна и на боковую поверхность. Электродинамическая сила, возросшая пропорционально квадрату тока, приведет к тому, что расплавленный торец электрода принимает форму конуса, и с его вершины срываются капли, образующие струю (Рис. 2.6, в).

Рис.2.6 – Схема перехода крупнокапельного переноса металла в струйный

На размер капель, переносимых через дуговой промежуток, влияют величина тока, напряжение на дуге, диаметр электродной проволоки, химический состав электродной проволоки и шлака. Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, и полнее взаимодействие с этой средой. Однако нельзя забывать, что в этом случае время существования капель уменьшается, за счет чего полнота протекания реакции снижается.

Контрольные вопросы:

1. Охарактеризуйте сварочную ванну первого типа (открытую).

2. Как меняется температура по длине сварочной ванны при дуговой сварке?

3. Охарактеризуйте сварочную ванну первого типа (закрытую).

4. Чем отличается ванна второго типа от ванны первого типа?

5. Поясните физический смысл основных сил, действующих на каплю металла в период её формирования.

6. Изобразите и поясните схему крупнокапельного переноса металла с короткими замыканиями дугового промежутка.

7. Перечислите факторы, влияющие на величину поверхностного натяжения жидкой капли металла при сварке.

8. Поясните на схеме процесс перехода крупнокапельного переноса металл в струйный.

9. Дайте физическую сущность силы давления газовых потоков при сварке толстопокрытым электродом.

10. Дайте физическую сущность силы реакции газов при горении толстопокрытого электрода.

Лекция 9 — Газовая фаза при сварке плавлением. Диссоциация газов. Механизм насыщения металла газом. Влияние кислорода, азота, водорода и монооксида углерода на свойства стали.

Газовая среда в зоне сварки плавлением

При сварке плавлением наблюдается взаимодействие жидкого металла с окружающей средой. 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, различные химические реакции в самой га­зовой среде и при ее взаимодействии с металлом.

Диссоциация газов. Высокая температура в зоне сварки создает условия для дис­социации газов. Процессы диссоциации газов сопровождаются погло­щением тепла, т.е. являются эндотермическими.

Процесс диссоциации простых двухатомных газов водорода, кис­лорода и азота выражается следующими реакциями:

Н₂ Û 2Н – 434,9 кДж/моль

О₂ Û 2О – 495,3 кДж/моль (2.1)

N₂ Û 2N – 713,1 кДж/моль

Степень диссоциации зависит от температуры и представляется в виде графика (Рис. 2.7). Если принять, что температура стол­ба дуги составляет 5000 °К, то для такой температуры расчеты дадут зна­чение степени диссоциации: для молекул водорода a = 0,96, а для молекул азота a = 0,038.

Рис. 2.7 – Кривая зависимости степени диссоциации

водорода и азота от температуры

Большое значение диссоциации двухатомных газов в зоне сварки объясняется следующими основными причинами:

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

2) Параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне высоких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где тем­пература значительно ниже идет процесс обратный, сопровождающийся выделением тепла. Этим самым осуществляется регулирование теплового состояния в зоне сварки.

Аналогично диссоциируют трехатомные газы – пары воды – Н₂O и углекислый газ – СО₂

Н₂О Û Н₂ + 1/2 О₂ – 242,2 кДж/моль (2.2)

CO₂ Û CO + 1/2 О₂ – 283,45 кДж/моль (2.3)

Диссоциация этих газов в дуговом промежутке может создать для жидкого металла окислительную или восстановительную атмосферу. Если упругость диссоциации водяного пара или СО₂ превышает упру­гость диссоциации окисла металла, металл может окисляться за счет кислорода диссоциированных Н₂O или СО₂, то есть

если Р_О2(МеО) < Р_О2(Н₂О)Ме + Н₂О Þ МеО + Н₂ и

Ме + СО₂ Þ МеО + СО

Если же упругость диссоциации водяного пара (СО₂) меньше упру­гости диссоциации окисла металла, металл будет восстанавливаться из оксида.

Если Р_О2(МеО) > Р_О2(Н₂О)МеО + Н₂ Þ Ме + Н₂О и

МеО + СО Þ Ме + СО₂

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов, для высоких температур характерно протекание реакции окисления азота воздуха, которая сопровождается поглощением тепла.

N₂ + O₂ Û 2NO – 181,0 кДж/моль (2.4)

Образующаяся окись азота может существовать в не распавшемся виде в области низких температур. Она играет существенную роль как окис­литель, и по мнению некоторых исследователей, служит передатчиком азота расплавленному металлу.

Механизм насыщения металла газами.

Насыщение расплавленного металла газами происходит как в кап­лях, так и в сварочной ванне. В сварочной ванне процессы газона­сыщения протекают менее интенсивно, чем в каплях, по двум причи­нам:

1) температура ванны ниже температуры капель;

2) для ванны отношение реакционной поверхности к объему расплавленного металла на­много меньше, чем для капель.

При этом если газ, растворяющийся в жидком металле, находит­ся в атомарном состоянии, то его растворимость в металле следует закону Генри, т.е. содержание атомарного газа в металле находится в линейной зависимости от парциального давления этого газа в газо­вой среде.

Растворимость двухатомных газов, находящихся в молекуляр­ном состоянии, подчиняется закону Сивертса (закон квадратного корня):

[С]_Г2 = К , (2.6)

где [С]_Г2 – содержание газа в металле (см³/100 г);

К – коэффициент пропорциональности;

Р – парциальное давление молекулярного газа над жидким металлом (атм.).

В большинстве металлов количество растворяющегося газа зави­сит от температуры металла.

[С]_Г = а.exp , (2.7)

где а и k – константы;

Е –теплота растворения;

Т –абсолютная температура.

Из этой формулы следует, что с увеличением температуры ме­талла повышается и растворимость в нем газов, причем, в каплях эта растворимость может достигать значительной величины. Но рост растворимости газов не беспределен. При температурах, близких к температуре кипения метал­ла, растворимость газов заметно падает и с переходом металла в состо­яние кипения становится равной нулю.

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

1) адсорбция атомов газа поверхностью металла;

2) взаимодействие адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом и образование растворов и химических соединений, обычно эти процессы называются хемосорбцией;

3) отвод продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла.

Процессы адсорбции и хемосорбции протекают с очень большими скоростями, почти мгновенно.

Что касается отвода продуктов хемосорбции вглубь металла, то скорость протекания процесса здесь значительно меньше. В отводе продуктов хемосорбции вглубь металла большую роль иг­рает механическое перемешивание жидкого металла, проходящее часто с бурным выделением газов.

Настоящая схема растворения газов в металле, в основе которой лежит закон Генри, получила название химического поглощения газов металлами.

При наличии электрического поля возможно и электрическое поглощение газов металлом. Такое поглощение наблюдается только у по­верхности катода в области активного пятна, куда внедряются положи­тельные ионы газов, поступающие из столба дуги. Наличие у поверх­ности катода слоя положительных ионов повышенной концентрации приводит к их перемещению в объем металла диффузионным путем, вследст­вие разности концентраций.

Степень развития электрического поглощения газов металлом зависит от величины катодного падения напряжения, состава газовой среды, то­ка и других параметров.