Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 41
Текст из файла (страница 41)
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 определено по уравнению материального баланса элемента Э до и после сварки: и, „[Э) „+ и „[Э1 „+ иф(Э)ф — — иаш[Э]~, + иаш(Э)аш, (9.31) 9.4. Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой н шлаком Одной из важнейших функций флюсов или электродных покрытий, применяемых при электродуговой сварке, является металлургическая обработка металла шва: его раскисление, легирование,модифицирование и рафинирование.
Вследствие активного развития окислительных процессов при дуговой сварке практически всегда есть потребность раскисления металла. Однако, чтобы получить наплавленный металл требуемого состава с определенными свойствами, одной операции раскис- 422 где и,, и „, иф, и „т „— массы соответственно электродного металла, основного металла, флюса, металла шва и шлака.„ [Э)ам [Эгго.м (Э)ф ~ [Эггш, (Э)шл — концентрации элемента соответственно в электродном металле, основном металле, флюсе, металле шва и шлаке. Обозначая константу распределения элемента между шлаком и металлом шва (9.32) 423 С,% Р,% Сг;Мп;81,% Рис. 9.23. Зависимость коэффициента эффективности массообмена !) и химического состава металла шва от среднего времени существования металла в сварочной ванне 1,0 0,5 0,8 0,4 У[Э!э „+ [! — У)[Э!...
+ !3(Э)ф 1+ )32. (9.33) 0,6 0,3 0,4 0,2 0,2 0,1 4 6 т,с (9.34) (9.35) [Э!э = О; [Э!в [Э), [э)ф ' (9.36) 424 425 эи шв в "'э.м "'оэв = У =1 — У и допуская, что тф = т „, оконча- шв шв тшв тельно из (9.31) получаем Таким образом, для расчетного определения химического состава металла шва нужно знать концентрации элемента в исходных материалах, массовые доли основного (1 — у) и электродного (у) металлов в металле шва, относительную массу )) взаимодействующего с металлом шлака и константу распределения Е. Наибольшие затруднения при расчетах по выражению (9.33) вызывает недостаток надежных данных о значениях Е.
В риде случаев Е можно найти через константу равновесия реакции или определить экспериментально. Рассмотрим более подробно смысл и физическую сущность величины [) — коэффициента эффективности массообмена, который оценивается отношением массы флюса, реально участвовавшего в массообмене, к массе расплавленного металла т„,: Здесь эх значительно меньше массы расплавленного при сварке флюса. Дело в том, что только небольшая часть (иногда не более 1О...
15 %) всего расплавившегося флюса или электродного покрытия участвует в массообмене с расплавленным металлом, тогда как большая его часть, защищающая металл от взаимодействия с атмосферой, в контакт с мсталлом капель или сварочной ванны не вступает и, естественно, ни в каких металлургических процессах между металлом и шлаком не участвует. Коэффициент эффективности массообмена [3 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 [) из выражения (9.33). Так как элемента-«свидетеля» нет ни в основном, ни в электродном металле, то Элемент-«свидетель» не растворим в шлаке и неограниченно растворим в металле, следовательно, А = О, !ЗЛ = 0 и знаменатель уравнения (9.33) 1 + [)Е = 1. Учитывая также соотношения (9.35), из (9.33) получаем Коэффициент эффективности массообмена !) зависит от многих факторов: от физических свойств шлаковой основы флюса или электродного покрытия — ее жидкотекучести, вязкости, плотности и т.
п.; от гидродинамической обстановки (в реакционной сварочной зоне), которая, в свою очередь, определяется сварочным током, напряжением дуги, длительностью т существования металла в сварочной ванне (рис. 9.23), электромагнитными силами, газовыми потоками и т. д. Из рис. 9.23 следует, что на многих режимах дос- тигается постоянное значение 1) и неизменное содержание элемен- тов в металле шва, т. е. практически имеет место термодинамиче- ское равновесие при сварке.
9.5. Расплавление электрода н перенос капель в ванну Рп.н 426 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 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. При сварке одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий сварки преобладает тот или иной размер.
Можно отметить та7 ~ кие главные формы переноса: крупно- и мелкокапельный с ~~э пэ ' короткими замыканиями ду- гового промежутка, капель- 1 ный без коротких замыканий, сж Г~пг сж струйный, а также перенос 1 металла в виде паров. 1 Динамичность процесса, И наличие комплекса дейст- Р вующих сил весьма затруд! 1 няют изучение различных гг'. эя Р Р форм переноса металла. Его исследуют при помощи скоростной киносъемки дуги, пп синхронизованной с записью электрических параметров (1пп, (7д) на осциллографе. Схема процесса переноса а б электродного металла дана на Рис.
9.24. Схема крупно- (а) н мелко- рис. 9.24. Механизм переноса капельного (б) переноса матерна- в общем случае включает в ла электрода в ванну себя следующие моменты: — нагрев дугой торца электрода и образование капли диаметром 4„' — появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода; — соприкосновение капли с поверхностью сварочной ванны; — разрыв образованного «мостика». Если в период существования «мостика» через него протекает ток дуги, то «мостик» нагревается до температуры кипения, затем ет его взрыв и разбрызгивание.
Для подавления взрыва и следует его я ги капб ызгивания целесообразно не допускать замыкания ду лей и сокращать время нахождения капли в столбе ду б ги. Сила тяжести Р и электродинамические силы Р д способствуют отрыву капли от торца электрода, а сила поверхностного натяжения Р'„„удерживает ее на электроде. Электродинамические силы Р;д являются результатом наличия вокруг электрода (при протекании по нему тока) магнитного силового поля, оказывающего сжимающее действие на электрод — пинч-эффект, в результате которого появляются силы, сжимающие шейку капли: = 5 1О 1172, (9.37) сж где 1 — сварочный ток.
Кроме того, вследствие сжатия шеики возникают продольные силы. Они направлены от меньшего сечения электрода радиусом ге = Н ! 2 к большему — радиусом г1 = гг'„/2. Результирующие электродинамические силы Р;д, направленные вдоль оси электрода в сторону ванны, выражаются формулой (9.38) Рэ =102.10 ' 7 1п — '. Отсюда следует, что электродинамические силы возрастают с увеличением тока и уменьшением диаметра электрода. Капля, отрывающаяся от торца электрода, как правило, отклоняется в сторону, противоположную направлению сварки под действием сил давления газового потока и реактивных сил, создаваемых газом, выделяющимся из капли.
Это приводит к возникновению потока жидкого металла по оси сварочной ванны, который движется в хвостовую часть ванны и там разделяет ляется на левый и правый боковые потоки, частично возвращающие металл в сторону дуги и перемешивающие металл сварочной ванны (см. рис. 9.2). Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее 427 на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать. Для измельчения капель снижают силу поверхностного натяжения (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
