Плавление металла, сварочная ванна

Металлы – кристалличенские вешества. Строго определенное расположение атомов обусловлено их энергетическим состоянием и соответственно минимумом свободной энергии атомом. Свободная энергия F системы определяется по формуле

F=U -T * S (1.1)

Свободная энергия любой системы атомов с повышением температуры уменьшается с определенной скоростью.

При повышении температуры энергетическое состояние металла приближается к энергетическому состоянию расплава. И при температуре То свободная энергия расплава ниже, чем у твердого металла. При этой температуре могут сосуществовать как жидкое, так и твердое состояние металла..

Рис.4 Зависимость свободной энергии от температуры для жидкой и кристаллической фазы.

Таким образом, чтобы достигнуть полностью жидкого состояния, необходимо перегреть на ∆Т (разница свободной энергии ∆ Fп). Металл казалось, теряет свое кристаллическое строение, однако, даже в жидком состоянии сохраняется определенный порядок расположения атомов. В структуре увеличивается количество вакансий. С дальнейшим повышением температуры в расплаве сохраняются группировки закономерно расположенных атомов. При некотором переохлаждении ниже То они станут естественными или самопроизвольными центрами кристаллизации. Таким образом, условия плавления влияют на процесс последующей кристаллизации и свойства сварного шва.

Влияние неметаллических включений и карбидов на кристаллизацию сплава.

Примеси в сплаве могут быть центрами несамопроизвольной кристаллизации.

На практике несамопроизвольную кристаллизацию используют для модификации – измельчения кристаллитов при затвердевании.

Однако модифицирующее действие сохраняется только в Ом случае, когда они не растворяются в сварочной ванне. Наибольший интерес в этом случае представляют собой тугоплавкие и труднорастворимые включения. Например карбиды. (см. таблицу 1)

Таблица 1 Температуры растворения карбидов различных элементов при нагреве стали в твердом состоянии.

Элемент, образующий карбид	Fe	Cr	W	V
Температура растворения карбида, оС

При быстром нагреве, небольших степенях перегрева, малой продолжительности существования сварочной ванны наиболее тугоплавкие карбиды могут сохраниться.

В основном металле и в сварном шве могут находиться также нитриды.

Большое влияние на кристаллизацию могут оказать неметаллические включения, которые попадают из флюсов и электродных покрытий (CaO, MgO, SiO2) или могут быть продуктами раскисления ванны (SiO2, MnO, Al2O3,TiО2), частичками шлака (2FeO*Sio2, 2Mno*SiO2, MnS, FeS)и др. Температуры плавления неметаллических примесей приведены в таблице 2.

Таблица 2 Температуры плавления неметаллических примесей.

Соединение	FeO	MnO	Cr2O3	SiO2	Al2O3	TiО2	ZrO2
Тпл., оС

Средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке (ручная автоматическая под флюсом, в защитных газах) составляет 1600-1900оС:

-наиболее низкая- для дуговых в защитных газах,

- наиболее высокая – для автоматической сварки под флюсом. Температура в ванне под дугой доходит до 2300оС, однако продолжительность пребывания ванны при этой температуре крайне мала, что не обеспечивает растворения наиболее тугоплавких примесей.

Продолжительность существования сварочной ванны при различных видах и режимах сварки существенно различается. Для указанных выше видов она составляет не более 1-2 мин и может быть оценена по формуле: td=Ld/vcd

Где td- средняя продолжительность существования сварочной ванны; Ld- длина сварочной ванны; vcd- скорость сварки.

Исходя из сказанного, следует, что при больших степенях перегрева в сварочной ванне очень мало естественных центров кристаллизации.

Наличие искусственных центров кристаллизации будет зависеть от состава свариваемого материала и присадочной проволоки, условий сварки. Возникающие в сварочной ванне конвективные потоки под воздействием газодинамической и электромагнитной сил должны приводить к рассредоточению нерастворившихся тугоплавких частиц.

Закономерности кристаллизации и формирован

ия первичной структуры сварного шва.

Для того, чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо отклонение от равновесной температуры То, т.е. переохлаждение ∆Т, при этом свободная энергия изменится на ∆ F. Повлиять на степень переохлаждение можно путем изменения скорости охлаждения металла, увеличение которой приводит к возрастанию ∆Т. (рис.5)

Рис. 5 Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения (∆Т): ЛСР – линейная скорость роста размера зародышей; СЦЗ – количество центров кристаллизации.

Роль степени переохлаждения при кристаллизации сводится к тому, что в жидком металле увеличивается устойчивость образований атомов, создающих зародыши при самопроизвольном процессе.

При этом способность зародыша быть центром кристаллизации является его размер R.

Только после достижения критического размера зародыш станет устойчивым и начнет расти, вызывая снижение свободной энергии. При этом критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения, что приводит к созданию условий для образования большего числа зародышей (рис. 5).

Рассмотренные закономерности касаются естественных центров кристаллизации – зародышей образовавшихся из расплава. В расплаве сварочной ванны, как мы уже говорили, существуют искусственные центры- различные включения. Наиболее лучшими такого рода частицами служат вещества, кристаллическая решетка которых по типу и параметрам решетки близка к решетке кристаллизующегося металла. Поскольку искусственные центры уже существуют в жидком металле и на их образование не требуется дополнительных затрат энергии, для кристаллизации на них требуется меньшая степень переохлаждения.

Рассмотренные выше закономерности кристаллизации определяют характер строения сварных швов. Основными элементами являются кристаллиты (дендриты) (рис.6)

Рис. 6.Схема роста дендрита (а) и строения слитка: 1- зона мелких кристаллов, 2-зона столбчатых кристаллов, 3- зона равноосных кристаллов.

В реальных условиях металл кристаллизуется в ограниченном пространстве с холодными стенками. В этом случае рост основной оси дендрита будет расти перпендикулярно поверхности кристаллизации. Подрастающий ствол со временем сам становится элементом отвода тепла и от него в разных местах начинают расти ветви второго, третьего и т.д.порядка с определенной кристаллографической ориентацией. При столкновении твердых поверхностей постройка кристаллита завершается (рис.6). При наличии многих центров кристаллизации растет много дендритов, их поверхности сталкиваются, мешая дальнейшему росту. Форма кристаллов становится неправильной, а благодаря различной ориентации поликристаллический металл становится более однородным (изотропным).

Химическая однородность.

Одной из основных особенностей дендритного строения литого металла является неоднородность состава по сечению дендрита. Первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые (содержат меньше примесей). Оси дендритов значительно меньше загрязнены примесными атомами по сравнению с межосными пространствами. Такое различие в содержании примесей в металле осей дендритов и межосных участков называют дендритной ликвацией. Поскольку процесс перемещения атомов примеси диффузионный и связан со временем, степень дендритной ликвации зависит от скоростей кристаллизации и охлаждения. В большей степени к ликвации склонны углерод, сера. Фосфор, в меньшей – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам.

Особенности кристаллизации и кристаллического строения сварных швов при сварке плавлением.

На рис. 7 представлена схема мгновенного состояния сварочной ванны.

Рис. 7. Распределение температур в сечениях сварочной ванны.

В очаге горения дуги металл сварочной ванны имеет самую высокую температуру 2300 ^оС, что значительно выше температуры плавления t_пл и кристаллизации t_кр. По мере удаления от очага дуги температура жидкого металла снижается. Вблизи кромок она становится близкой к температуре кристаллизации t_кр.

В сечение «Г-Г», проходящем через очаг дуги и свариваемые кромки, температура жидкого металла на границе с твёрдым металлом выше, чем в сечениях «Д-Д», «Е-Е», лежащих ближе к хвостовой части ванны. В соответствии с этим рост кристаллов на кромках в зоне максимальной температуры t_max. Если мгновенно прекратить сварку, то характер кристаллизации будет соответствовать схеме, изображённой на рис. 8.:

-рост кристаллов начинается с закристаллизовавшейся поверхности металла шва;

-кристаллы из хвостовой части вытягиваются вдоль оси шва, они имеют большую протяжность;

-размеры кристаллов, растущих с боковых поверхностей, и угол их наклона к оси шва зависят от толщины свариваемого материала, его теплофизических свойств, скорости и режима сварки и др.

Рис. 8 Кристаллическое строение сварочной ванны при мгновенном прекращении сварки

При рассмотренном характере кристаллизации сварочной ванны кристаллическое строение сварного шва имеет вид, показанный на рис. 9.

Рис. 9.Кристаллическое строение сварочного шва в продольном сечении

Кристаллическое строение сварного шва в сечении, перпендикулярном его оси, может различаться в зависимости от условий сварки (рис. 10):

при сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объём ванны, повышенная скорость сварки) столбчатые кристаллы могут расти до встречи в области центральной линии шва (рис. 10.а);

при большой ванне и медленной её кристаллизации в центральной части шва образуется небольшая зона равновесных кристаллов, возникших в условиях естественной кристаллизации (рис. 10. б);

при сварке на охлаждаемой металлической подкладке (рис. 10.в) на ней кристаллизуется тонкой слой мелких разориентированных кристаллов, становящихся зародышами для растущих столбчатых кристаллов;

при многослойной сварке (рис. 10.г) кристаллы каждого предыдущего слоя становятся основной для кристаллизации последующих слоёв, но так как скорость охлаждения каждого слоя больше скорости охлаждения ванны в целом (при однослойной сварке), то кристаллическое строение слоёв более мелкозернистое и с менее выраженной ликвацией примесей.

Следует отметить также явление прерывистости кристаллизации и ликвации. Замечено, что рост кристаллов идёт не непрерывно, а с периодическими остановками, которые названы тепловым эффектом (выделением теплоты) при переходе их жидкого состояния в твёрдое. При таком прерывистом росте слоёв кристаллизации сначала застывает наиболее чистый металл, а затем металл с большим содержанием примесей.

Рис. 10. Кристаллическое строение сварного шва в поперечном сечении

Дата добавления: 2014-01-07