Особенности процессов диффузии в условиях сварки плавлением

Диффузионные явления играют важную роль во многих процессах, протекающих при сварке. К числу таких процессов относится

газонасыщение расплавленного металла капель и сварочной ванны,

обмен между металлом и шлаком, т. е. раскисление, легирование металла и очищение его от вредных примесей.

Диффузия вызывает перераспределение элементов в зоне сварного соединения.

С диффузионными процессами связывают возникновение микронеоднородности сварных швов.

Без учета диффузии нельзя объяснить такие важнейшие процессы, как рост зерен, перераспределение напряжений по объему тела, рекристаллизацию, ползучесть сварных соединений и т. д.

При сварке плавлением взаимодействуют между собой газообразная, жидкая и твердая фазы, вследствие чего протекание диффузионных процессов возможно по следующим схемам:

1) между газовой и жидкой фазами;

2) в жидкой фазе;

3) на границе между несмешивающимися жидкостями;

4) на границе между жидкостью и твердой фазой;

5) в твердой фазе.

Во всех перечисленных случаях условия протекания диффузии, а, следовательно, и активность диффузионных процессов, различны. Рассмотрим каждую из этих схем в отдельности:

1. Составляющие атмосферу дуги газы, адсорбированные поверхностью жидкого металла, диффундируют в него как в каплях, так и в сварочной ванне.

В каплях наиболее благоприятны условия для диффузии газов. Выше отмечалось влияние температуры на процессы диффузии. Так, повышение температуры с 20 до 950 °С увеличивает коэффициент диффузии азота в a-железе на 10порядков. Очевидно, при температуре капель, составляющей для железа 2300 °С, величина этого коэффициента возрастает во много раз.

В рассматриваемом случае имеем дело с поверхностной диффузией, активность которой значительно выше активности аналогичных процессов, протекающих внутри жидкого или твердого тела.

Ускорению диффузии газов в капли электродного металла способствует также интенсивный отвод диффундирующего элемента в глубь металла, обусловленный активным перемешиванием внутренних и наружных объемов капли. Вследствие этого вблизи фазовой границы создаются высокие градиенты концентраций, в свою очередь способствующие активизации диффузии.

Диффузионные процессы между газовой средой и металлом сварочной ванны идут менее активно, чем в каплях, что связано с более низкой температурой металла ванны и меньшей относительной поверхностью реакции.

Таким образом, максимальное газонасыщение металла при сварке плавлением обычно наблюдается в каплях, тогда как в сварочной ванне избыточная часть газов стремится выделиться из металла.

В некоторых случаях имеет значение диффузия газов в твердый металл. Так, при сварке титана водород и азот окружающей среды могут активно диффундировать вглубь твердого металла на участках, нагретых до высокой температуры, и резко снижать качество сварных соединений. Чтобы избежать этого, приходится защищать не только расплавленный металл, но и всю зону нагрева от контакта с окружающей атмосферой.

2. Процессы диффузии элементов в расплавленных металлах изучены пока еще очень мало. Коэффициенты диффузии элементов в жидком металле близки между собой, тогда как по отношению к твердым металлам они отличаются друг от друга на несколько порядков.

3. Примером двух несмешивающихся жидкостей в условиях сварки могут служить расплавленные металл и шлак. На границе между ними постоянно осуществляется диффузионный обмен элементами, т. е. переход элементов из металла в шлак или наоборот. Если такой обмен протекает достаточно длительное время, элемент распределяется между жидкостями по закону Нернста. Следует иметь в виду, что константа распределения элемента в зависимости от температуры жидкостей принимает различные значения, поскольку растворимость элемента в этих различных жидкостях при повышении или понижении температуры может изменяться неодинаково.

Диффузия между жидким металлом и шлаком протекает активнее в каплях и несколько менее активно в сварочной ванне, особенно в низкотемпературной ее части. Причиной этого является высокая температура и большая относительная поверхность реакции у капель.

4. Диффузионные процессы на границе между твердым и жидким телом обладают той особенностью, что скорость их определяется интенсивностью диффузии в твердом теле, так как она обычно во много раз меньше скорости диффузии в жидкости.

Скорость диффузии на границе раздела жидкой и твердой фаз зависит от разности концентрации диффундирующего элемента в них, но определяется не только этим фактором. Даже если контактируют твердая и жидкая фазы одного химического состава, диффузия вполне возможна, если растворимость какого-либо элемента в твердой и жидкой фазах различна.

Предположим, что мы имеем образец, изготовленный из сплава с концентрацией С0 исследуемого элемента. Допустим, что этот элемент обладает большей растворимостью в жидком расплаве, чем в твердом растворе, как обычно и бывает на практике. Расплавим часть исследуемого образца и рассмотрим процессы на границе раздела твердого и жидкого тела. Поскольку исследуемый элемент лучше растворим в жидкой фазе, он начнет переходить из поверхностных слоев твердой фазы в жидкую, причем твердая фаза будет обедняться им, а жидкая обогащаться до тех пор, пока на границе не установятся равновесные соотношения концентраций. В связи с тем, что вблизи линии сплавления твердая фаза обеднена элементом, в глубинных слоях металла возникнет направленный к поверхности раздела диффузионный поток элемента Ф1 (рис. 98).

Одновременно от жидкого слоя, имеющего повышенную концентрацию элемента, в глубь жидкой фазы будет идти противоположный диффузионный поток Ф2.

Приведенные соображения указывают на возможность большой химической неоднородности металла вблизи границы сплавления. Однако последующая диффузия в уже затвердевшем охлаждающемся металле значительно выравнивает концентрацию элемента, что изображено на рис. 98 штриховой линией. Таким образом, в результате описанных процессов вблизи границы раздела твердого и жидкого металла образуются тонкие слои металла, обогащенного и обедненного диффундирующими элементами.

5. В твердом металле диффузия протекает довольно медленно. Тем не менее, при сварке она может существенно влиять на его структуру и свойства. О сновные причины диффузии в твердом металле такие:

1)значительное изменение растворимости элемента в процессе фазовых превращений основного металла-растворителя;

2) неравномерный нагрев и связанная с температурой различная растворимость элемента в разных объемах металла;

3) выпадение из твердого раствора химических соединений, приводящее к обеднению его и появлению диффузионных процессов выравнивания;

4) наличие неоднородности концентрации металла к моменту его затвердевания.

Температурное поле, а, следовательно, и зоны с различным содержанием диффундирующих компонентов, перемещается при сварке вместе с источником тепла, поэтому результат диффузионных процессов заметен только тогда, когда скорость диффузии соизмерима со скоростью сварки.

Расчеты и эксперименты показывают, что в твердом металле диффузионные эффекты могут наблюдаться только для водорода, диффузионная способность которого в 10— 100 раз больше, чем способность других элементов.

Дата добавления: 2015-06-26