Диссертация (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 16

4.19) [93, 98, 99].4.7. Оценка термодинамической вероятности протекания окислительновосстановительныхреакцийприсваркесталейподфлюсомсметаллохимической присадкойПоложительное влияние TiO2 на прочностные и пластические свойстваметалла шва при его введении непосредственно в сварочную ванну с гранулятом невызывает сомнений. Однако механизм процесса взаимодействия TiO2 со сварочнойванной до настоящего времени не был изучен и потребовал специальныхисследований [93, 98, 102, 99, 101].Для исследования механизма процесса взаимодействия оксида титанавводимого в МХП со сварочной ванной [93, 98, 102, 99, 101], в работе применёнметод оценки термодинамической вероятности химических реакций в сварочнойванне.

При этом использовали алгоритм Б.Ф. Якушина [109].В металле шва обязательно присутствует кислород, поэтому в зоне сваркипротекают окислительно-восстановительные реакции элементов, входящих в составфлюса, основного и присадочного металла. К факторам, влияющим на скорость иполноту гетерогенных химических реакций, относятся:1) площадь контакта взаимодействующих фаз (металл сварочной ванны – шлак,металл сварочной ванны – газ, удельная площадь взаимодействующих фаз);2) температура в зоне реакции;3) время пребывания реакционной зоны при данной температуре.При сварке в металле шва низколегированных сталей в основном образуютсянеметаллические включения в виде оксидов, нитридов и сложных комплексов из114алюмосиликатов.

Термодинамическая оценка вероятности протекания химическихреакций применима в основном для системы в равновесном состоянии.Равновесие между всей массой расплавленного флюса и металлом сварочнойванны, в общем случае, не достигается и использование равновесных условий длярасчёта концентраций элемента в металле шва и шлака недопустимо. Однако втонком слое контактирующих масс металла и шлака, по мнению К.В. Багрянского, атакжевысокиезначенияудельнойповерхности,установленныенамиэкспериментально, позволяют считать, что на границе модификатор – расплавустанавливается состояние, близкое к равновесию, так как скорость взаимодействияна границе металл-шлак выше скорости конвективной транспортировки реагентов ипродуктов реакции [108]. Поэтому использование методов термодинамики дляоценки вероятности протекания той или иной реакции металла сварочной ванны сошлаком или химическими добавками в МХП вполне уместно.4.7.1.

Анализ тепловой обстановки в сварочной ваннеТемпература в сварочной ванне при автоматической сварке под флюсомраспределяется неравномерно. В активном пятне дуги, через которое осуществляетсянагрев металла шва, температура достигает температуры его кипения (Т=3145К). Вкачестве обобщающей характеристики температурного режима сварочной ванныможет служить её средняя температура Тср. В настоящей работе [101] примененподход В.И. Дятлова, который использовал уравнение предельного состоянияпроцесса распространения тепла от быстродвижущегося источника на поверхностиполубесконечного тела [110].Tср =ЭкспериментальнаяL- 2Т плCжоценка показала,(4.4)что средняя температураванныпримерно на 20% превышает температуру плавления свариваемого металла115(Тср=1,2Тпл) [111 – 115].

Локальное распределение температуры в сварочной ваннезависит от потоков расплава. Температуру головной части ванны приняли всоответствии с работами М.В. Авдеева [111, 112], который показал, что вследствиетурбулентностидвижениярасплававголовнойчастиваннытемпературавыравнивается и равнаTгол =Т кип + Т пл2(4.5)В настоящей работе сварочная ванна была условно разделена на 4 зоны (Рис.

4.20).Зона №1 – передняя часть кратера сварочной ванны. В этой зоне поддействием дуги расплавляется металлохимическая присадка с диоксидом титана в еёсоставе и основной металл кромок, а также начинается плавиться флюс АН-47,взаимодействуясвзаимодействующихметалломфазвсварочнойэтомслучаеванны.иОднакоплощадьвзаимодействиеихконтактаневелико.Расплавленные компоненты в зоне 1 интенсивно перемешиваются турбулентнымипотоками расплава, что обеспечивает также равномерное распределение частиц TiO2сварочной ванны. Минимальная температура зоны 1 равна температуре плавленияосновного металла Т пл = 1811K , а максимальная – температуре кипения металла шваТ кип = 3145K , достигаемой в активном пятне.

В соответствии с исследованиямиАвдеева М.В. [111, 112] принимаем температуру металла в кратере (за вычетомактивного пятна) как T1 =Т кип + Т пл= 2478 К .2Зона №2 – зона активного пятна в головной части сварочной ванны –центральная часть кратера. В этой зоне происходит плавление сварочной проволокиСв-10НМА и перемешивание с расплавленным основным металлом, металлом МХПи модифицирующими частицами диоксида титана. В газовом пузыре идёт процессдиссоциации газов и взаимодействие диссоциированных газов с расплавленнымметаллом сварочной ванны. Активное пятно – основной источник нагрева сварочнойванны, температура в зоне 2 достигает температуры кипения стали ( T2 = Tкип = 3145 К ).116Рис.

4.20. Схема температурной обстановки в сварочной ванне:1 - металлохимическая присадка (МХП); 2 - стыкуемые элементы; 3 сварочный флюс АН-47; 4 - электрод (сварочная проволока Св10НМА, Ø 4мм); 5 капля электродного металла; 6 - электрическая дуга; 7 - шлаковый пузырь; 8 жидкий шлак; 9 - стекло толщиной 3 мм; 10 - медная подкладка; 11 - стальнаяподкладка; 12 - расплав в сварочной ванне; 13 - металл шва; 14 - шлаковая корка117Зона №3 – задняя часть кратера сварочной ванны. В этой зоне, как отмечалосьранее, средняя температура металла в кратере (за вычетом активного пятна)T3 = Т1 = 2478 К .Зона №4 – хвостовая часть сварочной ванны.

Здесь формируется ламинарныйпоток расплавленного металла, который, поступая в зону кристаллизации,охлаждается от средней температуры сварочной ванны Tванны ср до температурыкристаллизации Tкр = 1811К :Tванны ср = Т пл (2 - Q1 - Q2 ) = 2318K ,TплLкалкал= 0,576 , Q2 == 0,144 (при L = 66, С = 0,185).г × градТ кипC × Т плгТ+ТПоэтому среднюю температуру этой зоны принимаем равной T4 = ванныср кр = 2065К .2так как Q1 =4.7.2.

Определение доли участия основного и присадочного металлов всварном соединенииДолю участия основного и присадочного металлов в сварном соединенииопределяли по фотографиям поперечных шлифов соединения с выделениемсоответствующих зон (Рис. 4.21).

При измерении площадей выделенных зониспользовали программу КОМПАС 3D – V12. Результаты замеров представлены вТаблице 21 [102].Таблица 21.Доли участия основного и присадочного металлов в корневом и лицевом швеКорневойшовЛицевойшовЗона шваПлощадьзоны, мм2Основной металл F1+F2МХП FМХП (кор)Проплав FпрОсновной металл F3+F4МХП FМХП (ус)Усиление шва Fус92,15563,27913,18039,60548,07134,941Доляучастия вшве0,5470,3760,0780,3230,3920,285СуммарнаяПлощадьплощадь, мм22шва, ммFкорн+Fлиц168,615291,233122,618Fкорн, Fлиц– площадь корневого и лицевого шва соответственно.118Рис. 4.21. Макрошлиф поперечного сечения сварного соединения и зоны основного иприсадочного материалов (увеличение ×20)Fш – общая площадь шва; F1 и F2 – площадь основного металла, участвующего вобразовании корневого шва; F3 и F4 – площадь основного металла, участвующего вобразовании облицовочного шва; Fмхп(кор) – площадь металла шва, образованнаярасплавленной металлохимической присадкой (МХП) в корневом слое; Fмхп(ус) –площадь зоны металла шва с вторично переплавленной МХП; Fпр – площадь проплава;Fус – площадь усиления4.7.3.

Определение объёма и времени существования сварочной ванныОпределение объёма и времени существования сварочной ванны производилина основе измерения габаритов сварочной ванны (Рис. 4.22) и площади сечения швов(Таблица 22) [102].119Рис. 4.22. Габариты сварочной ванны корневого (а) и лицевого (б) швовlГ, lХ, Lв – длина головной, хвостовой частей и общая длина ванны; В – ширина.Таблица 22.Габариты, объем и время существования сварочной ванныШовШиринашва, ммВКорневойЛицевой2228Время пребывания вСечение Объёмванны, жидком состоянии, [с]шва,мм3мм2lГlХLВГХВVB=LB×FШFШ10,594,5105168,615 17704,61,9417,43 19,37154560122,618 7357,022,778,3011,07llLt Г= Г ; t Х = Х ; t В = t Г + t Х = ВVсвVсвVсвГабариты ванны, ммτττСогласно результатам замеров длин каждой зоны, согласно схеме на Рис. 4.23,получили, что зона №1 = 12 мм, зона №2 = 9 мм, зона №3 = 27 мм, зона №4 = 57 мм.Рис.

4.23. Габариты сварочной ванны, полученной при корневом проходеВремя существования каждой зоны можно найти по формуле (4.6):120t зоны N =lзоны N(4.6)Vсвгде lзоны N – длина зоны, Vсв – скорость сварки равна 19,5 м/ч = 5,42 мм/с.Расчёты времени существования сварочной ванны в зоне №1, 2, 3, 4представлены в Таблице 23.Таблица 23.Габариты и время существования сварочной ванныПараметры зон1Зоны сварочной ванны234Длина зоны, [мм]1292757Относительная доля0,1140,0860,2570,543Время пребывания в жидкомсостоянии, [с]2,211,664,9810,52Высокая температура в зоне 4 и время контактирования расплава в хвостовойчасти ванны (более 10 с) позволяют предполагать, что в зоне контакта металл – шлакдостигается равновесие[102].4.7.4.

Оценка величины межфазной поверхности в системе «шлакрасплав» и «TiO2 – расплав»При оценке величины межфазной поверхности в системах «шлак-расплав» и«TiO2 – расплав» [102] объём сварочной ванны принимали равным VВ = LВ FШ , аплощадь её поверхности FВ = LВ B (Рис. 4.22), при этом считали, что она покрытаровным слоем жидкого шлака. Удельная поверхность межфазной границы «шлак –металл» при этом допущении равнаS Шлак- Металл =FBB, мм2=VB FШ(4.7)121Таким образом, удельная поверхность границы между жидким шлаком исварочной ванной зависит только от режимов сварки, определяющих ширину иплощадь поперечного сечения шва.Удельную площадь поверхности между диоксидом титана и жидким металломоценивали соотношениемSTiO2 -Металл =SS[мм2]VB(4.8)где S S = nSЧ V B - суммарная поверхность частиц гранулята в объёме сварочнойванны; n–количество частиц в единице объёма; SЧ =одной частицы диаметром d длиной l, VЧ =pd 2+ pdl - площадь поверхности2pd 2l - объём одной частицы.