Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Так как шлаковые системы часто имеют сложный состав, выбирают основную тройную систему и затем устанавливают влияние на нее остальных составляющих шлака. Ряд диаграмм состояния для двойных систем разного типа представлен на рис. 9.19-9.21, Из анализа диаграммы состояния двойной сисгемы МпΠ— 5102 (см. рис. 9.19) следует, что несмотря на высокую температуру плавления кюклого компонента (соответственно Т и 2200 и 2000 К) их смесь в определенной пропорции является весьма легкоплавкой 1000 1600 Сарг 20 3540 60 ВО Саб 40 60 ВО 1ЧаИ % (мас.) Сарг % (мас.) Рис. 9.20.
Диаграмма состояния Рис. 9.21. Диаграмма состояния шлаковой системы солового типа шлаковой системы солеоксидиого Сар, — Хау типа СаΠ— Сан, (1573 К], что используется при разработке соответствующих сварочных флюсов. Тот же эффект отмечается в других системах: Жар — Сказ (см. рис. 9.20) и СаΠ— Сагыз (см. рис. 9.21). Однако для достижения всего комплекса технологических свойств флюсы должны содержать значительно большее количество компонентов. При добавлении третьего компонента (Сарз) температура плавления еще снижается и сщиовится существенно меньше температуры плавления сталей. Для описания тройных систем применяют так называемые псевдобинарные диаграммы плавкости. Их получают путем рассечения тройной диаграммы плоскостью, в которой содержание одного компонента трехкомпоиентной системы Рне. 9.22.
Схематический ввл ловерхности влавления шлаков трехком- поиснтной системы СаО - БКЬ вЂ” А)зОз поддерживают постоянным. В действительности, ншчример в трех- компонентной системе саΠ— Бгфз — А(20з, поверхность (рис. 9.22). соединяющая температуру плавления отдельных составов, является весьма волнистой, с множеством впадин, соответствующих составам эатектик. пения недостаточно, так как металл теряет некоторые полезные примеси в результате не только окисления, но и прямого испарения под лействием 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 легцроваиие и модифнцироаание металла.
Одновременно необходимо рафинировать металл, г. е. очищать его от вредных примесей (серы и фосфора), попадающих в мепщл нз шлака. Таким образом, взаимодействие газовой и шлаковой фаз с жидким металлом представляет собой сложный комплекс физико- химических процессов, из которых важнейшие — реакции окисления, раскнслсиия, легированиа н рафинирования металла. Для улучшения структуры первичной кристаллизации, ее измельчения и упорядочения в металл шва вводят небольшие количества зародышей кристаллитов специальных тугоплавких добавок-модификаторов.
Наиболее сильные из них — ниобий ХЬ, титан Тг, цирконий Хг, ваналий тг. При электродуговой сварке между расплавленным металлом, шлаком и гаювой средой непрерывно проискодят процессы интенсивного массообмена, Естественно, что результаты этих про- пессоа 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 3 до и после сварки: ри [3[ + т [Э)си ь лгй(3)О = %ввР)ма ™я~я(3)мя' 9.4. Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком Одной из важнейших функций флюсов или электродных покрытий, применяемых при электродуговой сварке, являешься металлургическая обработка металла шва: его раскисление, легироваиие, модифицирование и рафинирование.
Вследствие активного развития окислительных процессов прн дуговой сварке практически всегда есть потребность раскисления металла. Однако, чтобы получить иаплавленный металл требуемого состава с определенными свойствами, одной операции раскис- 422 (3) 2 ви [3]мь (932) 423 „, м, м, а „вЂ” массы соответственно злектролиого металла, основного металла, флюса, металла шва и вщака; Р)з.ч Р)ом Р)Е* Р), (3) „— концентрации элемента соответственно в электродном металле, основном металле, флюсе, металле шва и шлаке.
Обозначая константу распределения элемента между шлаком и металлом шва 0%Сгып5г% С,% Рис 9 23 Зависимость ко зффициеита эффективности массообмена 0 н химического слета»а металла шаа от среднего времени существования метыла а сварочной ванне 0,5 1,0 0,8 0,4 0,3 0,6 0,2 0,4 0,2 0,1 0 2 4 6 т,с (9.34) [3)«„=О; [Э) „=О. (9.35) 424 425 о~ и и" = „", †'" = у, — = !†у и допуская, что ш =и ,окончаж тм тм, ф ШЛ тельно из (9.31) получаем у[9)ли+[1-у)[Э)ои- р(Э> (9.33> 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 Д Наибольшие затруднения при расчетах по выражению (9.33] вызывает недостаток надежных лаиных о значения Д В х .
рядеслучаев А можно найти через константу равновесия реакции или опрелелить экспериментально. Рассмотрим более подробно смысл и физическую сущность величины [) — коэффициента эффективности массообмена, который оценивается отношением массы флюса, реально участвовавшего а массообмеие, к массе расплавленного металла т: » Здесь шр значительно меньше массы расплавленного при сварке флюса.
Дело в том, что только небольшая часть (иногд б 10 15»~" а не олее ») всего расплавившегося флюса или электродного покрытия участвуег в массообмене с расплавленным металлом, тогда как большая его часть, защищающая металл от взаимодействия с атмосферой, в контакт с металлом капель или сварочной ванны ие вступает и, естественно, ни в каких металлургических процессах между металлом и шлаком не участвует. Коэффициент эффективности массообмена б находят экспериментально — с помоцзью метода элемента-«свидетеля», Во флюс добавляют небольшое количество (1...2 %) элемента-«свидетеля».
В качестве «свидетелей» можно брать неокисляюшиеся элементы, не взаимодействующие с флюсом, свободно и неограниченно растворяющиеся в металле шва: благородные металлы, никель, а некоторых случаях медь. Желательно также, чтобы элемент«свндетсль» не входил в состав основного и электродного металнов. Тонко измельченный и равномерно распределенный по всему объему электродного покрытия или флнюа, 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«свилегелюп перешедшего в металл шва из флкюа, легко определип [) из выражения (903). Так как элемента-«свидетеля» нет ни в основном, ни а злектролном металле, то Элемент-«свидетель» ие раепюрим а шлаке и неограниченно растворим в металле, следовательно, (. = О, бб = 0 и знаменатель уравнения (9.33) 1 + [)Е = 1. учитывая также соотношения (9.35). нз (9.33) получаем й [З)лз» (936) [Э)0 Коэффициент эффективности массообмена (! зависит от многих факторов: от физических свойств шлаковой основы флюса или электродного покрытия — ее жидкотекучести, вязкости„ плотности и т, пл от гилродинамической обстановки (в реакционной сварочной зоне), киюрая.
в свою очередь, определяется сварочным током, напряжением луги, длительностью т существования металла в сварочной ванно (рис. 9.23), электромагнитными силами, газовымн 426 патоками и т. д. Из рис. 9,23 следует, что иа многих режимах дос- тигается постоянное значение )) и неизменное содержание элемен- тов в металле шва, т. е. практически имеет место термодннамнче- ское равновесие прн сварке. 9.5.
Расплавление электрода н перенос капель в ванну Размеры капель металла, переходящих с электрода в сварочную ванну, существенно влияют на степень развития физико- химических процессов прн взаимодействии металлической, шлаковой н гюовой фаз. В зависимости от защитной среды перенос металла происходит через газовую иви шлаковую среду. Через газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера — диаметром ат 7 мм до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров. Установлено, что независимо от способа сварки н положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода иа изделие. При аварке одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий сварки преобладает тот или иной размер.
Можно отметить та! кис главные формы переноса: крупно- н мелкокапельный с 4 4 ! короткими замыканиями дуголого промежутка, капель! ный без коротких замыканий, «м 4 ~гм струйный, а также перенос ! мещлла в виде паров. ! 4„ Динамичность процесса, наличие комплекса дейст- Р вующнх снл весьма затруд- няют изучение различных 4, м б 4, Р форм переноса металла. Ею исследуют при помощи скоростной киносъемки дуги, синхроннзованной с записью электрических параметров (1гм (Гд) на осциллографе. Схема процесса переноса е 6 электродного мешлла дана на Рнс. 9.24. Схема крупно-(а) и мелко- рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
