Степень завершенности реакций взаимодействия в условиях сварки

Общая схема взаимодействия металлической, газовой и шлаковой фаз при сварке

Основные физико-химические процессы, происходящие в зоне сварки, с участием сварочных материалов

Вопросы для самопроверки

1. Какие защитные газы и их смеси применяют при дуговой сварке?

2. Почему азот и водород не нашли широкого применения в качестве

защитных газов при дуговой сварке?

3. Какими физико-химическими свойствами обладают защитные

газы, применяемые при дуговой сварке?

4. В каком случае будет больше расход газа: при сварке в среде

аргона или гелия?

5. Какими примерами характеризуются свойства горючих газов,

применяемых при газопламенной обработке?

6. Как получают карбид кальция и ацетилен?

7. Каким способом получают кислород для цели сварки и резки

металла?

8. Какими преимуществами и недостатками обладают горючие газы,

которыми можно заменить ацетилен при сварке и резке металлов?

При всех способах сварки плавлением для локального рас­плавления металла применяются мощные источники тепловой энергии, позволяющие вводить в ограниченный объем большое количество тепла, создавать значительное местное повышение температуры. Наиболее эффективными при этом являются сва­рочные источники тепла, позволяющие создавать мощные теп­ловые потоки, которые даже при высокой теплопроводности сва­риваемых металлов обеспечивают большой градиент температур от места ввода тепла к окружающему этот объем металлу. Это, как следствие, приводит в большинстве случаев к значительному перегреву основных объемов расплавляемого при сварке металла.

Как указывалось, обычно при сварке плавлением сварочная ванна образуется за счет смешивания расплавленного основного металла и добавочного (наплавляемого). Максимальная темпера­тура перегрева металла в сварочной ванне и поступающего в нее обычно в виде капель присадочного металла в большинстве слу­чаев различна. Меньший объем капель, их относительно большая удельная поверхность, через которую поступает тепловой поток, отсутствие в них значительных теплоотводящих масс приводят, как правило, к более значительному их перегреву, по сравнению с металлом ванны.

Только в некоторых случаях, например при газовой сварке железных сплавов, когда присадочный материал вводится прямо в жидкую сварочную ванну и плавится в ней без формирования падающих в пламени капель, и при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом с присадками в виде вставок в зазоре, температура перегрева и присадочного металла и сварочной ванны примерно одинакова.

Рассмотрим некоторые примеры температурного состояния расплавленного металла в условиях различных способов сварки плавлением.

При газовой сварке малоуглеродистой стали (Т_пл ≈ 1500 °С), максимальная

температура сварочной ванны у ее поверхности равна 1630—1650 °С, видимо и для расплавляе­мого присадочного металла в этом случае максимальная темпера­тура также составляет примерно 1650 °С. При электрошлаковой сварке стали температура в сварочной ванне, по материалам Г. А. Перцовского, в среднем равна 1680 ^оС, достигая 2000 ^оС в наиболее нагретой части; температура ка­пель при этом в случае расплавления проволоки превышает 2000 ^оС.

При дуговой сварке плавящимся элект­родом температура ванны и капель еще выше. Так, средняя температура ванны при сварке под флюсом

И. И. Фруминым и И. К. Походней определена в 1770 ± 100 ^оС. Тем­пература капель при этом достигает 2400 - 2500 ^оС. При режимах ручной дуговой сварки средняя температура ванны составляет 1950 - 2000 ^оС, а капель

2100 - 2500 ^оС.

Так как при обычных металлургических процессах производ­ства сталей температура жидкого металла обычно выше 1650 - 1700 °С не поднимается, можно отметить, что в условиях свароч­ных процессов имеют место значительно более высокие перегревы металла.

То же наблюдается и при сварке других металлов. Например, при

аргонодуговой сварке титана (Т ≈ 1650 °С) неплавящимся электродом, по дан­ным Л. И. Мальцева, температура сварочной ванны равна 2100 °С.

При дуговой сварке алюминия и его сплавов (Т_пл = 640 ± 660 °С) также известны значительные перегревы и ванны, и ка­пель. Так, при аргонодуговой сварке алюминиево-магниевых сплавов неплавящимся электродом

Ю. А. Деминский определил температуру ванны в пределах 750 - 900 °С. При аргонодуговой сварке плавя­щимся электродом температура капель им определена в зависимости от режима в пределах 1250 - 1550 °С, т. е. прибли­жается к температуре кипения сплава. Температура ванны при этом по расчету (при ψ ≈0,65) составляет 900 - 1000 °С.

При сварке чистого алюминия, по японским данным, температура капель достигает 1700° С. Ванная при дуговой сварке по флюсу, по измерениям

Д. М. Рабкина, имеет темпера­туру 1000 ± 100 °С. Таким образом, и в этих случаях при сва­рочных процессах температура жидкого металла, особенно ка­пель наплавляемого металла, значительно выше температуры плавления свариваемого или присадочного металла. Это обстоя­тельство должно учитываться при рассмотрении общей схемы взаимодействия материалов в условиях сварки.

Конечной целью расплавления, обработки и кристаллизации металла при сварке плавлением является получение доброкаче­ственного металла шва, имеющего хорошее сплавление с кром­ками свариваемых деталей, необходимый состав и структуру,

обеспечивающие требуемые свойства.Приэтом, как правило,весьма важным является максимальное удаление изметалла рядавредных примесей, отрицательно влияющих как на технологи­ческую (т. е. проявляющуюся в связи с самим процессом изго­товления сварных конструкций и выполнением сварки), так и на эксплуатационную прочность сварных соединений.

Такими примесями являются для железных сплавов S, Р, О, N, Н и др., а в некоторых высоколегированных сталях, кроме того, Zn, As, Pb и др., в сплавах на медной основе - О, Н, Bi, Pb и пр.

Недопущение этих примесей в металл или их наиболее пол­ное удаление из металла связано и с составом применяемых сва­рочных материалов, и с процессами взаимодействия металла с ок­ружающей материальной средой при сварке.

При сварке металл всегда контактирует с окружающей средой. Это или газовая фаза (воздух, защитные газы, смеси газов и па­ров, вакуум и пр.), или шлаковые расплавы (различные окислы, галогениды, их смеси и т. д.), или и газы, и шлаки. В процессе сварки происходит взаимодействие металла, особенно перегретого выше температуры плавления, с этими газами и шлаками. Такое взаимодействие может быть для металла полезным, но в большин­стве случаев портит его состав и свойства. Поэтому процессы взаимодействия металла с газами и шлаками при сварке следует обязательно учитывать и по возможности регулировать в нужном направлении.

Изменения состава металла в сварочных условиях определя­ются, во-первых, испарением в связи с высокими температурами перегрева жидкого металла и, во-вторых, обменными реакциями с газами и шлаками, в частности окислительными процессами. Кроме того, возможно и просто физическое растворение в металле элементов из окружающей его материальной среды.

Рассмотрим эти наиболее характерные процессы. Известно, что металл в твердом или расплавленном, жидком, состоянии частично испаряется и создает около своей поверх­ности пар, давление которого стремится к равновесному, назы­ваемому упругостью насыщенного пара и определяемому темпера­турой. Равновесное давление пара над чистым элементом в зави­симости от температуры может быть оценено формулой Клапей­рона-Клаузиуса.

где: р — давление пара над жидким металлом;

АН — теплота испарения, принимаемая упрощенно постоян­ной;

Т — абсолютная температура;

В — постоянная, зависящая от свойств металла и приня­тых единиц

измерения давления.

В связи с обычно высокими температурами сварочных источ­ников тепла, применяемых при сварке плавлением, водород уже в газовой фазе может находиться в атомарном и ионизированном состояниях.

По отношению к водороду металлы ведут себя неоднозначно. При различных методах сварки металлы могут либо поглощать водо­род из окружающей газовой фазы, либо десорбировать. Например, при повышенном содержании водорода в сварочной ванне в про­цессе сварки титана дугой в очищенном от паров воды аргоне или в процессе электроннолучевой сварки в вакууме.

Однако для большинства обычных металлов (при газовой или дуговой сварке сплавов на железной, никелевой, медной основах) в целом харак­терным является повышение в жидком металле концентрации водорода до количеств, сопоставимых с равновесными при этих температурах. Известна зависимость растворимости водорода в железе от температуры при изменении ее от комнатной до тем­пературы кипения для р_Нг = 1 кПсм²

Растворенный водород по мере снижения температуры (а сле­довательно, и растворимости) стремится выделиться из раствора и удалиться. В жидком металле он образует пузыри и, барботируя, удаляется в газовую фазую. В твердом металле он диффун­дирует в виде атомов и протонов; в металле шва - как в сторону поверхностей, откуда удаляется в газовую фазу, так и в около­шовные зоны свариваемого металла, скапливаясь в различных неплотностях (вакансиях, дислокациях, макропустотах) и оста­ваясь в растворе в значительных массах металла, примыкающих к шву. Эти процессы, происходят не только при температурах сварки, но для ряда металлов, в частности, углеродистых и низ­колегированных сталей, продолжаются и после полного охлаж­дения сварного соединения.

Процессы поглощения водорода, его удаления из жидкого металла и распределения в твердом чрезвычайно важны как для получения плотных беспористых швов, так и для получения со­ответствующих свойств сварных соединений ряда металлов и сплавов.

Азот взаимодействует с различными металлами не одинаково. Так, например, при сварке титана это взаимодействие в связи с образованием нитридов определяется химическими реакциями. При сварке железа и его сплавов основным процессом, является физическое растворение азота в жидком металле, подобно водо­роду. В связи с диссоциацией части молекулярного азота, на­пример при дуговой сварке, и образованием в газовой фазе ато­марного азота (а при наличии кислорода — и закиси азота) его поглощаемость железом отклоняется (особенно при невысоких парциальных давлениях азота) от закона Сивертса, хотя удовлетворительного объяснения причин такого отклонения, по имеющимся литературным данным, нет. В твердом металле при обычных температурах диффузионная подвижность азота в металлах невелика, и он не удаляется из металла шва и зоны сплавления, оставаясь в растворе или при избыточных концентрациях и более низких температурах обра­зуя нитриды, например железа. В этом случае азот заметно влияет на свойства металла.В меди азот практически не растворяется. Как показано выше, процессы взаимодействия металла с окружающей средой при сварке весьма разнообразны, сложны и требуют учета.

В связи с обратимостью почти всех процессов, рассмотренных выше, все они стремятся к равновесию, т. е. к состоянию с наименьшей величиной термодинамических по­тенциалов, характеризующемуся одинаковой скоростью прямой и обратной реакций. Равновесное состояние является функцией температуры. В условиях сварки температура металла и взаимо­действующей с ним среды все время меняется. Поэтому говорить о возможности получения равновесия в реакциях взаимодействия металла с окружающей средой между фазами нельзя.

Однако оценка степени приближения к равновесию может позволить при­нять решение о возможности или невозможности использования расчетов, основанных на равновесии, применительно к сварочным условиям. Возможность приближения к равновесию зависит от исходного состояния системы, т. е. от необходимой степени ее изменения для достижения равновесия (степени «отстояния» от равновесия) и скорости процесса, реакции (чем больше эта скорость, тем бы­стрее за меньшее время система сблизится с равновесным состоя­нием).

Исходное состояние системы металл — среда в условиях сварки может значительно и незначительно отличать­ся от ожидаемых равно­весных условий. Скоростьреакций при высоких температурах, характерных для сварки, особенно при развитых поверхностях контакта металла (главным образом капель) с окру­жающей средой, весьма большая. Поэтому прин­ципиально возможны если и не достижение равнове­сия реакций взаимодей­ствия перегретых металла и среды, то достаточно высокая степень приближения их к равновесию.

Принципиальная схема изменения во времени температуры Т металла (в частности, наплавляемого) в условиях сварки, услов­ного показателя А равновесия реакции металла с какой-то со­ставляющей окружающей среды и фактического показателя этой реакции А' в те же моменты времени приведена на рис.10. Как следует из рисунка, в зависимости от исходного А_г или А_г состояния (например, взаимоотношений концентраций металла и рассматриваемого элемента) при значительном повышении тем­пературы реакции стремится к равновесию, и А' сближается с А, соответствующим конкретной температуре. При дальнейшем по­вышении температуры показатель равновесия А изменяется (на графике растет), но и фактический показатель состояния реак­ции А' стремится к равновесию, причем с большей скоростью, характерной для всех реакций при высоких температурах. Од­нако при этом все время А' как бы отстает от А.

Когда температура достигает величины Т_max и показатель равновесия А имеет предельное значение, фактический показатель А' в этот момент не достигает значения АT _{ma x} , а имеет значение на рис.10 несколько меньшее, как бы отвечающее Т < Т_max. После достижения Т_max температура снижается, а соответственно снова в обратном направлении изменяется и А. Однако, так как А < А и соответствует к моменту достижения Т_max равновесному А для более низкой температуры, то даже при начальном сниже­нии температуры А' продолжает расти (т. е. стремиться к А, соответствующему более высокой температуре).

Рис.10. Изменение соотношений равно­весного и фактического состояний

реакций по ходу термического цикла расплавленного металла при сварке

Таким образом, А уже уменьшается, а А' продолжает расти. К какому-то моменту х_к (т. е. при какой-то температуре Т_к на ветви ее снижения) значения А и А' сравниваются.

После этого в связи с продолжающимся снижением темпера­туры значение А продолжает уменьшаться, и значение А', стре­мящееся к А, перейдя через максимальное свое значение при т_к, также получит тенденцию к снижению, но будет опять отставать от А. Это отставание по мере снижения температуры принци­пиально должно увеличиваться, так как скорости реакций при более низких температурах уменьшаются. К моменту достиже­ния температуры Т_м, например температуры кристаллизации жидкого металла (на рисунке Т_м = Т_пл), реакцию будем счи­тать приостановившейся. При этой температуре А должно быть равно Ат. Отстающее значение А' кэтому моменту будет соответствовать значению А, но относящемуся как бы к более высокой температуре Т > Т^.

Таким образом, стремление к равновесию для быстро проте­кающих процессов взаимодействия, например жидкого металла с газом или с какой-то составляющей шлака, должно приходить к состоянию, не соответствующему равновесию при Т = Т_пл, а как бы фиксировать состояние, отвечающее равновесным соот­ношениям для несколько более высокой температуры.

Действительно, специально поставленными опытами И. И. Фрумин показал, что применительно к автоматической дуговой сварке малоуглеродистой стали под флюсами конечная система отвечает равновесным значениям не для Т = Т_пл (~1500 °С), а совпадает с расчетными значениями

Т = 1600 - 1750 °С.

Аналогичные результаты применительно к другим случаям были получены и А. А. Ерохиным. Естественно, что условием максимального приближения фак­тического состояния системы к состояниям, определяемым изме­нениями равновесия, являются достаточно большие скорости реакций. Хотя понятия о равновесии статичны, приближение к равновесию в реальных, особенно быстро протекающих про­цессах возможно только с учетом кинетических представлений. Применительно к сварке впервые наиболее полно они исследованы и проанализированы А. А. Ерохиным.

Из самого представления о равновесии обратимых реакций следует, что оно достигается при равенстве скоростей прямой и обратной реакций, т. е. когда разность этих скоростей равна нулю. Чем дальше система от состояния равновесия, тем разность этих скоростей, т.е. фактическая скорость изменения, состояния си­стемы, больше. Это создает предпосылку, и для большей скорости приближения системы к равновесию, если ее исходное состояние дальше от равновесия.

Таким образом, и в физическом процессе поглощения и выделения водорода расплавленным металлом имеет место стремление к равновесию. При этом отдалённость исходного состояния от равновесия усиливает, ускоряет процессы (абсолютное значение изменений концентраций от исходного до фактического за время сварки увеличивается); однако конечное состояние системы при большей удалённости её исходного состояния от равновесия всё же, как правило, больше отличается от равновесного, чем в случае, когда исходное состояние сразу близко к равновесному.

Если рассматривать равновесную зависимость по отношению к реакциям раскисления марганцем или кремнием, нужно отметить, что степень раскисления обеспечивается концентрацией раскислителя в металле. В связи с тем, что при сварке реакции не доходят до равновесия к моменту кристаллизации и фиксируются как бы применительно к равновесию при более высокой температуре, для получения такой же степени раскисления потребуется некоторая другая концентрация раскислителя.

Таким образом, задавая какие-то количества раскислителей в сварочных материалах (проволоке, электродных покрытиях и т.д.), необходимо учитывать, что после раскисления должны остаться такие количества растворённого в металле раскислителя, которые по концентрациям должны быть выше равновесных. При этом следует учитывать, что при таком избыточном количестве раскислителя он в металле швов будет выступать как легирующий элемент, влияющий на свойства металла шва.

Исследования кинетики процессов взаимодействия металла с окружающей средой при сварке являются достаточно сложными, в связи с чем ряд вопросов не изучен и количественные зависимости не установлены. И хотя это не позволяет учитывать их количест­венно (расчетом) при выборе и разработке сварочных материалов, но знание общих закономерностей позволяет сокращать объем проводимых экспериментальных проверок.

Прямое взаимодействие металла с газообразным кислородом имеет место при многих способах сварки плавлением. Так, при газовой сварке в пламени сжигаемого горючего газа всегда имеется свободный кислород, который может взаимодействовать с ме­таллом.

При дуговой сварке плавящимся голым электродом (голой электродной проволокой) без защиты от воздуха или в среде за­щитных технических газов всегда имеется в пространстве, кон­тактирующем с расплавленным металлом, большее или меньшее количество газообразного кислорода. Даже при сварке в вакууме, например дуговой, импульсно-плазменной и электроннолуче­вой, необходимо учитывать возможность реакций металла со свободным кислородом газовой фазы.

При наличии элемента в растворе оценка влияния его концен­трации на изменение упругости диссоциации окислов может быть осуществлена по соответствующим формулам. Значит для решения вопроса о направлении реакции взаимо­действия необходимо оценить и возможные значения, давления свободного кислорода в газовых фазах при различных способах сварки.

Легче всего произвести соответствующие расчёты, когда состав газов определяется различными способами его регулировки и температурными условиями. Это имеет место, например, в условиях газовой сварки. Проведенные выше ориентировочные расчеты из различных исходных положений, давшие примерно одинаковый количествен­ный результат, позволяют использованную (конечно весьма упро­щенную) схему считать достаточно достоверной.

С этих же позиций можно рассматривать и взаимодействие металла с большинством электродных покрытий материалов, кото­рые в условиях сварки могут выделять свободный кислород.

Так, при покрытиях карбонатно-флюоритного типа к такому эффекту приводит диссоциация мрамора (или известняка) по схеме

СаСО₃ -> СаО + СО₂

СО + 1/2 О₂.

При этом максимальное количество освобождающегося кислорода, если пренебречь возможностью дополнительного отбора кисло­рода от СО (что практически возможно только при наличии зна­чительного количества элементов с заметно большим сродством к кислороду, чем у углерода), составляет 16 % от веса мрамора. Возможно выделение кислорода и при покрытиях других типов, например руднокислых. Так, применяемые в них высшие окислы марганца (МпО₂ в пиролюзите) и железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄, например в гематите покрытия марки ЦМ-7) при высоких темпе­ратурах разлагаются с выделением кислорода:

MnO_a → MnO + 1/2 O₂;

Fe₂O₃ → 2FeО + 1/2 O₂

Выделенный кислород идет и в этом случае на окисление ме­талла (основы свариваемого сплава, легирующих его элементов и раскислителей).

Заканчивая рассмотрение влияния кислорода, следует отме­тить, что оно не ограничивается окислением металла, как пра­вило, приводящего к ухудшению его качества. Кислород влияет и на ряд других характеристик процесса. Так, в сплавах на же­лезной основе растворенный кислород уменьшает растворимость водорода, в сплавах на медной основе он усиливает отри­цательное влияние водорода.

Весьма важным оказывается влияние кислорода на некоторые технологические характеристики. Известно, например, что кис­лород для ряда металлов, в том числе и железа, сильно снижает поверхностное натяжение, являющееся важным фактором в фор­мировании и отрыве капель от электрода при дуговой сварке. Снижение поверхностного натяжения (межфазного на границе металл—шлак) приводит к более мелкокапельному переносу ме­талла в дуге, и хотя это, как правило, является благоприятным для формирования шва, но одновременно создает более развитую поверхность и способствует более интенсивному взаимодействию металла с окружающей средой, в частности с га­зами.

Кроме того, процессы интенсивного окисления металла, про­текающие с выделением тепла, могут повышать температуру ме­талла, главным образом капель. По некоторым материалам такое повышение средней температуры при сварке сталей состав­ляет около 100 °С. Повышение температуры, как известно, также влияет на интенсивность тех или иных реакций.

Дата добавления: 2014-11-29