Лекции 18-25 (1043961), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Получение высококачественных сварных соединений из химически активных металлов оказалось возможным только после разработки оборудования и технологического процесса сварки электронным лучом в вакуумной камере. При давлении р ≤ 1,3 10^–1 Па в сварочной камере уже обеспечивается содержание кислорода и азота значительно ниже концентрации этих вредных примесей в аргоне высшего сорта, используемого для защиты сварочной ванны при атмосферном давлении.

Металлургические особенности образования шва при электронно-лучевой сварке во многом обусловлены чрезвычайно высокой плотностью энергии, выделяемой в пятне нагрева (примерно 5 10⁶ Вт/см²), и физическими условиями плавления металла в вакууме. Это обеспечивает следующие преимущества:

1) благодаря весьма высокой интенсивности и сосредоточенности такого источника нагрева, как электронный луч, достигается исключительно узкое и глубокое проплавление металла в вакууме с весьма незначительной по протяженности околошовной зоной, что обеспечивает сокращение объема высокотемпературного нагрева металла и растворенных в нем газов;

2) кратковременность пребывания сварочной ванны в расплавленном состоянии, ее малый объем и незначительные размеры зоны сплавления способствуют также уменьшению отрицательного влияния диффузионных процессов, вызывающих пористость металла шва;

3) положительное влияние вакуума на качество сварных соединений выражается в том, что значительно ускоряются и облегчаются процессы диссоциации оксидов газов не только в поверхностных, но и во внутренних слоях металла. Удаление кислорода и азота из сварочной ванны при электронно-лучевой сварке происходит тем полнее, чем больше упругость диссоциации оксидов и нитридов. Так, при сварке меди, кобальта, никеля обеспечивается практически полная диссоциация оксидов этих металлов в камере с разрежением р ≤ 6,5·10^–2 Па. Также интенсивно диссоциируют нитриды алюминия, ниобия, хрома, магния, молибдена;

4) высокая степень разрежения, которая может быть достигнута в сварочной камере при сварке электронным лучом, способствует разрушению поверхностных загрязнений и оксидных пленок, которые, как правило, препятствуют получению качественного сварного соединения при дуговых способах сварки.

Лекция 23

Виды и причины дефектов металлургической природы в металле шва

Способы предотвращения дефектов

Поры в металле шва

Расп­лавленный металл капель и сварочной ванны может сильно насыщаться газами в результате химических реакций, про­текающих между металлом, га­зовой и шлаковой фазами. Растворимость водорода, азота и кис­лорода в нагретом до высоких
темпера­тур жидком металле значительно выше, чем в твердом металле при температуре его кристаллизации. Поэтому в период кристаллизации металла сварочной ванны в затвердевающей части может на­чаться интенсивное газовыделение, обусловленное значитель­ным снижением растворимости газов. Особенно резко снижается растворимость водорода в кристаллизующихся алюминии и его сплавах, а после их затвердения растворимость в них водорода близка к нулю (см. рис. 9.6).

Поскольку кристаллизующаяся твердая фаза содержит меньше газов, чем оставшийся жидкий металл (маточный раствор), в меж­дендритных пространствах возможно образование молекул газов при протекании реакций:

[С] + [О] = СО;

2[Н] = Н₂; (9.93)

2[Н] + [О] = Н₂О;

[Н] + [О] = ОН.

Продукты реакций (9.93) в металле не растворимы. Они выделяются из сварочной ванны либо образуют поры. Для зарождения и развития газового пузырька нужно, чтобы давление газа р_газ внутри него было не ниже внешнего давления р_вн.д, т. е.

р_газ  р_вн.д. (9.94а)

Внешнее давление слагается из ряда составляющих:

р_вн.д = р_атм + h₁ρ₁ + h₂ρ₂ + 2 (9.94б)

Здесь р_атм – атмосферное давление; h₁ – высота слоя металла над пузырьком; ρ₁ – плотность металла; h₂ – высота слоя шлака над пузырьком; ρ₂ – плотность шлака;  – поверхностное натяжение на границе раздела газ ­– металл; r – радиус газового пузырька.

В обычных условиях давлениями слоев металла и шлака (соответственно h₁ρ₁ и h₂ρ₂) вследствие их малости (100 Па) можно пренебречь. Тогда уравнение (9.94а) примет вид

р_газ  р_атм + 2 (9.95)

В правой части уравнения (9.95) главное значение имеет второе слагаемое, которое увеличивается с ростом поверхностного натяжения  и умень­шением размера пузырька. Если принять, что в начальной стадии образования пузырька его радиус r  10^–5 см (10^–7 м), а поверхно­стное натяжение на границе газ – металл составляет  = 1 Н/м, то для существования такого пузырька и его дальнейшего роста нужно, чтобы давление внутри него

(9.96)

Итак, возникновение и развитие газового пузырька с таким давлением возможно, по-видимому, только на стенках твердой фазы (например, на гранях растущего кристалла), находящейся в контакте с жидким металлом. Это подтверждается также следующими соображениями:

1. кислород, водород и углерод являются поверхностно-актив­ными элементами, которые легко адсорбируются на поверхности раздела фаз и скапливаются там в значительных количествах;

2. адсорбция уменьшает работу, затрачиваемую на образование газового пузырька.

Н

Рис. 9.34. Возможные формы газового пузырька при выделе-
нии газа из только что закристаллизовавшегося шва в жидкость:

а рис. 9.34 показано, что форма газового пузырька, выделяющегося в жидкость 2 на ее границе с твердой поверхностью 1, зависит от смачиваемости последней. При этом краевой угол  определяется (см. рис. 8.17) соотно­шением межфазных натяжений:

сos  = (_1газ – _1,2) / _2газ. (9.97)

Нетрудно увидеть, что при краевом угле  > 90^о, когда жидкость 2 плохо смачивает поверхность твердой фазы 1 (рис. 9.34, а), газовый пузырек успевает вырасти до значительных размеров (образуя пору). При краевом угле  < 90^о, т. е. если жидкая фаза 2 хорошо смачивает твердую фазу 1 (рис. 9.34, б), газовый пузырек приобретает овальную форму, не успевает вырасти, отрывается и всплывает на поверхность ванны не образуя поры.

В сварочной ванне поверхность растущих кристаллитов, как пра­вило, хорошо смачивается жидким металлом и первичные газовые пузырьки приобретают преимущественно овальную форму. При малой скорости кристаллизации (рис. 9.35, а) пузырек успевает отор­ваться и всплыть. Однако при неполном отрыве пузырьков от твер­дой фазы на ее поверхности остаются готовые  зародыши.

Р
ис. 9.35. Схемы формирования газового пузырька и его отрыва от фронта кристаллизации металла шва при малой (а) и большой (б) скоростях
сварки (1 – остаток газового пузырька внутри металла)

Такая кар­тина наблюдается при большой скорости кристаллизации металла (рис. 9.35, б). В этом случае естественно ожидать пористости шва.

Поры могут быть вызваны как растворимыми в металле газами (Н₂, N₂), так и нерастворимыми, образующимися в самом металле (CO, H₂O, ОН). Появлению пор в металле шва способствует загрязненность ме­талла ржавчиной, которая представляет собой гидрат окиси железа и может иметь различный химический состав. При нагреве она переходит в окалину Fe₃O₄ с выделением паров воды. Таким образом, в непосред­ственном контакте с жидким металлом оказываются и кислород, и водород. Поэтому при сварке металла, покрытого ржавчиной, оксид углерода СО (продукт реакции между уг­леродом и кислородом в жидком металле) может образовать поры. Водород при этом лишь увеличивает размеры образующихся газовых пузырьков, диффундируя в них и переходя в молекулярную форму. Причиной возник­новения пор может быть и водород, а также азот, интенсивно растворяющиеся в жидком металле и не успевающие в момент кристаллиза­ции полностью выделиться из него.

Влияние состава газов на образование пор при сварке покрытого ржав­чиной металла зависит от степени окисленности сварочной ванны, т. е. от содержания в ней кислорода. Если металл окислен, то растворимость водорода в нем снижается. В этом случае повышение содержания закиси железа в системе шлак – металл способствует развитию в кристаллизующейся части сварочной ванны реакции окисления углерода и потенциальному образованию пор, содержащих СО. Если металл сварочной ванны хорошо раскислен и содержит нужное количество кремния и других раскислителей, то создаются условия для активного погло­щения сварочной ванной водорода. Тогда образование пор в шве обусловлено преимущественно интенсивным выделением водорода из кристаллизующегося металла.

Для борьбы с пористостью, вызываемой образованием окиси уг­лерода, нужно сохранять в сварочной ванне достаточное количество paскис­лителей, способных подавить реакцию окисления углерода в момент кристаллизации металла сварочной ванны.

Чтобы предупредить водородную пористость, нужно обеспечить в газовой фазе более полное связывание водорода в соединения, не растворимые в металле. Рассмотрим две реакции, интересные в этом отношении.

1. Соединения фтора, поступающие в газовую фазу, взаимодействуют с атомарным водородом или парами воды и образуют не раст­воримый в металле фтористый водород:

2CaF₂ + 3SiО₂ 2CaSiO₃ + SiF₄; (9.98)

(9.99)

SiF₄ + 3Н SiF + 3НF;

SiF₄ + 2H₂O SiO₂ + 4НF;

CaF₂ + Н CaF + HF. (9.100)

Возможность протекания реакций (9.98) и (9.100) вправо под­тверждается высокими значениями их констант равновесия при температурах столба дуги.

2. Образование в высокотемпературной зоне не растворимого в металле соединения водорода с кислородом (гидроксила ОН), устойчивого при высоких температурах, может протекать так:

Н + О ОН;

СО₂ + Н СО + ОН;

МnО + H Мn + ОН; (9.101)

Характеристики

Список файлов лекций