Глава 9испр1 (Вырезки в виде лекций), страница 5

1) шлаки оксидного типа, представляющие собой оксиды раз­личных металлов;

металлов;

2) шлаки солевого типа – фтористые и хлористые соли щелочных и щелочноземельных металлов;

3) шлаки оксидно-солевого типа, состоящие из солей и окси­дов.

Независимо от принадлежности к той или иной группе большин­ство шлаков состоит из основы, или «скелета», и добавок, или при­месей. Основа шлаков представляется шлаковой системой. Изучают такие системы обычно с помощью соответствующих диаграмм со­стояния, которые строят для двойных и тройных систем. Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, выбирают основ­ную тройную систему и затем устанавливают влияние на нее осталь­ных составляющих шлака. Ряд типовых диаграмм состояния представлен на рис. 9.19 – 9.23.

Из анализа двойных диаграмм Al₂O₃ и SiO₂ (рис. 9.19) следует, что несмотря на высокую температуру плавления каждого компонента (Т > 2200 и 2000К соответственно), их смесь в определенной пропорции весьма легкоплавка (1773 К), что используется при разработке соответствующих сварочных флюсов. Добавлением третьего компонента (CaO) температура плавления становится меньше температуры плавления сталей. Тот же эффект отмечается в других системах: СаО + Al₂O₃ (рис. 9.20) и СаО + SiO₂ (рис. 9.21). Однако для достижения всего комплекса технологических свойств, флюсы содержат значительно большее количество компонентов (табл. 10.1). При этом применяют так называемые псевдобинарные диаграммы плавкости, когда содержание одного компонента в 3-х компонентной системе поддерживают постоянным (рис. 9.22). В действительности в 3-х компонентной системе СаО – SiO₂ – Al₂O₃ поверхность, соединяющая температуру плавления весьма волниста, с множеством впадин, соответствующих составам эвтектик (рис. 9.23).

9.4. Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком

Одна из важнейших функций флюсов или электродных покрытий, применяемых при электродуговой сварке,— металлур­гическая обработка металла шва: его раскисление, легирование, модифицирование и рафинирование.

В связи с активным развитием окислительных процессов при ду­говой сварке практически всегда есть потребность раскисления ме­талла. Однако, чтобы получить наплавленный металл требуемого состава и свойств, одной операции раскисления недостаточно, так как металл теряет некоторые полезные примеси в результате не только окисления, но и прямого испарения под действием высо­ких температур. Для компенсации этих потерь, а также для введе­ния в наплавленный металл специальных добавок различных эле­ментов с целью повышения качества металла, параллельно с раскис­лением осуществляют и легирование металла. Наконец, наряду с раскислением и легированием, обязательно нужно рафинировать металл, т. е. очищать его от вредных примесей (серы и фосфора), попадающих в металл из шлака.

Таким образом, взаимодействие газовой и шлаковой фаз с жид­ким металлом представляет собой сложный комплекс физико-хими­ческих процессов, из которых важнейшие — реакции окисления, раскисления, легирования и рафинирования металла.

Для улучшения структуры первичной кристаллизации, ее из­мельчения и упорядочения в металл шва вводят небольшие коли­чества специальных добавок - модификаторов. Наиболее сильные из них — Nb, Ti, Zr, V.

При электродуговой сварке между расплавленным металлом, шлаком и газовой средой непрерывно происходят процессы интенсив­ного массообмена. Естественно, что результаты этих процессов, прежде всего, и самым существенным образом, зависят от соотно­шения взаимодействующих масс. В общем случае влияние взаимодей­ствующих масс металла и флюса на концентрацию элемента в ме­талле шва может быть найдено из уравнения материального баланса элемента Э до и после сварки:

(9.31)

где — масса электродного металла, основ­ного металла, флюса, металла шва и шлака соответственно.

— концентрация элемента в электрод­ном металле, в основном металле, во флюсе, в металле шва и в шлаке соответственно.

Учтя, что , (9.32)

где L – константа распределения элемента между шлаком и металлом шва, а ; опуская, что , окончательно получим:

(9.33)

Таким образом, для расчетного определения химического состава металла шва нужно знать концентрации элемента в исходных материалах, доли участия основного (I — γ) и электродного (γ) металлов в формировании шва, относительную массу β взаимодей­ствующего с металлом шлака и константу L распределения.

Наибольшие затруднения при расчетах по выражению (9.33) вызывает недостаток надежных данных о значении L. В ряде слу­чаев L можно найти через константу равновесия реакции или опре­делить экспериментально.

Представляет интерес более подробно рассмотреть смысл и фи­зическую сущность величины β.

β - коэффициент эффективности массообмена оценивается от­ношением массы флюса, реально участвовавшего в массообмене, к массе расплавленного металла:

(9.34)

значительно меньше массы расплавленного при сварке флюса. Дело в том, что только часть (иногда не более 10—15%) всего рас­плавившегося флюса или электродного покрытия участвует в мас­сообмене с расплавленным металлом, тогда как большая его часть в контакт с металлом капель или сварочной ванны не вступает и, естественно, ни в каких металлургических процессах между метал­лом и шлаком не участвует.

Коэффициент β находят экспериментально — с помощью метода элемента-свидетеля. Во флюс добавляют небольшое количество (1—2%) элемента-свидетеля. В качестве свидетелей можно брать неокисляющиеся элементы, не взаимодействующие с флюсом, сво­бодно и неограниченно растворяющиеся в металле шва,— благо­родные металлы, никель, в некоторых случаях медь. Желательно также, чтобы элемент-свидетель не входил в состав основного и элек­тродного металлов. Тонко измельченный и равномерно распреде­ленный по всему объему электродного покрытия или флюса, эле­мент-свидетель участвует вместе с ними во всех видах конвектив­ных перемещений и при вступлении в контакт с расплавленным металлом полностью переходит в него из флюса. По концентрации элемента-свидетеля, перешедшего в металл шва из флюса, легко определить β из выражения (9.33).

Так как элемента-свидетеля нет ни в основном, ни в электродном металле, то

(9.35)

Элемент-свидетель нерастворим в шлаке и неограниченно растворим в металле, следовательно, L = 0; βL = 0 и знаменатель уравнения 1 + βL = 1, откуда

(9.36)

Коэффициент эффективности массообмена β зависит от многих факторов: от физических свойств шлаковой основы флюса или покрытия - ее жидкотекучести, вязкости, плотности и т.п.; от гидро­динамической обстановки в реакционной сварочной зоне. Обста­новка в свою очередь определяется величиной сварочного тока, напряжением дуги, величиной и направлением электромагнитных сил, газовых потоков и т. д.

9.5 Расплавление электрода и перенос капель в ванну.

Размеры капель металла, переходящих с электрода в сварочную ванну, существенно влияют на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз. В зависимости от защитной среды перенос металла происходит через газовую или шлаковую среду.

Через газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера — диаметром от 6—7 мм 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 преобладает тот или иной размер. Можно отметить такие главные формы переноса: крупно- и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный без коротких замыканий, струйный, а также перенос металла в виде паров.

Динамичность процесса, наличие комплекса действующих сил весьма затрудняют изучение различных форм переноса металла. Последний исследуется при помощи скоростной киносъемки дуги, синхронизованной с осциллографированием электрических параметров(I_св, v_св).

Схема процесса крупнокапельного переноса электродного металла дана на рис. 9.24, 9.25. Механизм в общем случае включает следующие моменты:

— нагрев дугой торца электрода и образование капли;

— появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электродa;

— соприкосновение капли с поверхностью ванны;

— разрыв образованного мостика.

Если в период существования мостика через него протекает ток дуги, то он нагревается до температуры кипения с последующим взрывом мостика и разбрызгиванием. Для подавления указанных негативных процессов целесообразно уменьшать температуру капли и время ее нахождения в столбе дуги.

Сила тяжести и электродинамические силы способствуют отрыву капли от торца электрода; сила поверхностного натяжения N_п.н. удерживает ее на электроде.

Электродинамические силы N_эд являются результатом пинч-эффекта, оказывающего сжимающее действие на шейку капли. Величина этих сил пропорциональна силе тока:

N_сж=5,1·10^-6I² (9.50)

где I — сварочный ток.

Кроме того, возникают продольные силы. Они направлены от меньшего сечения электрода, имеющего радиус r₀ , к большему с радиусом r₁.

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

N_эд= 1,02·10^-5I²r₁/r₀ дин. (9.51)

Электродинамические силы возрастают с увеличением силы тока и уменьшением диаметра электрода.

Капля, отрывающаяся от торца электрода, как правило, отклоняется в сторону, противоположную направлению сварки под действием сил газового потока и сил реакции газа, выделяющегося из капли. Это приводит к возникновению потока жидкого металла по оси ванны, который движется в заднюю часть ванны, где он разделяется на левый и правый боковые потоки, перемещающие металл в сторону дуги (рис. 9.26) и перемешивающие ванну. Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать. Для измельчения капель снижают силу поверхностного натяжения или отрывают их принудительно, не допуская укрупнения. На величину этой силы отрыва капли влияют поверхностно-активные вещества, входящие в соприкосновение с жидким металлом.

Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных и щелочноземельных металлов, свободный кислород и др., обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидкости и тем самым ослаблять связь поверхностных атомов и молекул жидкости между собой. При этом силы поверхностного натяжения резко уменьшаются. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается. Таким образом наличие кислорода образующего МeO, других поверхностно-активных веществ, а также увеличение сварочного тока понижают поверхностное натяжение капель.

Увеличение сварочного тока значительно влияет и на силы отрыва:

1) растут электродинамические силы N_эд;