26-03-2020-ТСП часть2 (1278567), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

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

F_сж=5·10^{-6 ·}I² (9.37)

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 F_эд, направленная вдоль оси электрода в сторону ванны,

F_эд= 1,02·10^-5I²r₁/r₀ дин. (9.38)

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 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 F_эд;

2) увеличиваются сила F давления газовых потоков и реактивные силы, вызываемые газообразованием в капле и испарением.

Следовательно, увеличение сварочного тока приводит к росту всех сил отрыва, а значит, к измельчению капель и переходу к струйному переносу без коротких замыканий.

При ручной дуговой сварке толстопокрытым электродом на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос металла с редкими замыканиями дугового промежутка. В этом случае величина поверхностного натяжения металла капель снижается как за счет наличия поверхностно-активных веществ в шлаке, так и вследствие более высокой температуры капель. Силы отрыва нарастают интенсивнее и появляется дополнительная сила F_r.n давления газового потока. Активно развивающиеся процессы газообразования могут преждевременно «дробить» каплю.

При сварке под флюсом применяются еще более высокие сварочные токи. Силы отрыва, особенно электродинамические силы, резко возрастают. Увеличивается воздействие газового потока F_г.п. , усиливаются процессы газообразования в капле, а также испарения. В результате этого при сварке под флюсом наблюдается особо мелкокапельный перенос металла без коротких замыканий, а также перенос в виде паров.

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель не только величины, но и плотности тока, возрастающей при малых диаметрах электрода. При некотором критическом значении плотности тока, капельная форма переноса переходит в струйную. Подобная форма переноса наблюдается при сварке в защитных газах. В.И.Дятлов объясняет переход от капельного переноса к струйному увеличением площади активного пятна столба (рис. 9.25, а, б), когда активное пятно охватывает боковую поверхность капли и увеличиваются сжимающие силы. Тогда конец электрода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос (рис. 9.25, б).

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, полнее взаимодействие с этой средой (растворение газов, процессы легирования, из покрытий и флюсов, их окисления, испарения легирующих элементов и др.). Однако нельзя забывать, что в таком случае время существования капель уменьшается, а потому снижается и полнота протекания реакций.

Например, при увеличении тока в интервале 110-300 А удельная поверхность капель изменяется незначительно, но время существования капли на торце электрода уменьшается в 1,6 раза. Между тем увеличение напряжения и соответсвенно длины дуги в интервале 14—27 В при неизменном токе 200 А уменьшает удельную поверхность капель в 2,2 раза, увеличивая время их существования в 8,3 раза. Таким образом, на развитие реакций в каплях особенно сильно сказывается длина дуги. Этот вывод подтверждают исследования химического состава наплавленного металла.

Так, легирующие элементы, предварительно введенные в состав электродной проволоки частично окисляются в период существования металла в капельной форме. Особенно велики потери активных металлов (Ti, Mn, Cr). Они определяются коэффициентом перехода элемента, равного отношению его содержания в шве и электроде.

При сварке с участием флюсов во время перехода через газовую среду капли частично или полностью покрываются оболочкой расплавленного шлака, в результате чего значительно активизируются реакции между ним и жидким металлом. Возможно также перемешивание металла со шлаком — в результате бурного выделения газов из капли. По данным Ерохина А.А., температура капель при сварке электродами из малоуглеродистой стали, при токе 185 и 240 А составляет 2518 K и 2613 К соответственно.

При сварке алюминия в среде аргона температура капель, по данным Ищенко А.Я. достигает 2200 К, а при сварке в гелии - значительно меньше, что способствует сохранению легко испаряющихся легирующих элементов (Mg и др.) и уменьшению пористости.

Совершенствование сварочных процессов направлено на подавление негативных явлений при переносе электродного металла в ванну. Разработаны различные электромеханические методы принудительного отрыва капли с электрода, а также снижения её перегрева путем устранения коротких замыканий дуги через каплю. Для этого применяют питание дуги импульсами тока, при котором частота перехода капель равна частоте импульса. Увеличивая частоту до 200 – 300 Гц получают стабильный мелкокапельный перенос, без коротких замыканий дуги и разбрызгивания.

Перенос присадочного металла при сварке неплавящимся электродом состоит в подаче присадочной проволоки в зону действия дуги со стороны задней части ванны. Для исключения капельного переноса и шунтирования дуги присадочная проволока подается по касательной к поверхности ванны. Поэтому проволока разогревается теплом дуги до плавления и стекает в ванну. Этот способ переноса выгодно отличается минимальным перегревом присадочного металла и наиболее высоким коэффициентом перехода легирующих элементов.

Перенос присадочного металла при электроннолучевой сварке также состоит в капельной подаче присадки через луч в сварочную ванну. Кроме того, применяют способ сварки, при котором происходит проплавление свариваемого металла и подкладки, интенсивное перемешивание в ванне, вынос её нижних слоёв и на поверхность, то есть создание усиления шва.

9.6. Источники водорода при сварке под флюсом

Этот вид сварки, выполняемый в изолированной от атмосферы газовой полости, способствует надежной защите металла шва лишь от азота, входящего в состав атмосферы. Среднее содержание азота в швах низкоуглеродистых сталей обычно составляет 0,02%. Такой уровень азота не играет серьезной роли в металлургических процессах, в том числе в вопросе образования пористости швов. Более существенна роль водорода и кислорода, которые попадают в зону сваривания по многим вариантам:

- атмосферная влага;

- влага флюса, входящая в состав его соединений, адсорбированная на поверхности зерен, а также внутри них в результате мокрой грануляции флюса (дробления жидкого флюса струями воды);

- влага в составе ржавчины или других поверхностных оксидов (Fe₂O₃·2H₂O,

А1₂О₃·2Н₂О);

- основной металл и сварочные материалы, содержащие некоторое количество водорода (0,5 - 3 см³/100г).

В зависимости от температуры газовой фазы водород находится в молекулярном, атомарном или ионизированном состояниях (рис.9.1 и 9.2).

С позиции ионного строения шлаков можно утверждать, что в расплавленном флюсе-шлаке водород содержится в виде ионов ОН. Растворению водорода в железе предшествует процесс его окисления окислами Fe:

2FeО ^- + 2Н₂ = Fе ж + Fе⁺² + 4 ОH ^– (9.39)

Переход водорода из жидкого шлака в металл сопровождается разрывом связи О-Н. Основной источник водорода - водяной пар в зоне дуги диссоциирует. Из расчетов степени термической диссоциации водяного пара при температурах (<4000К), равных температуре капель электродного металла, следует, что она не превышает 40%. Более полное разложение водяного пара происходит при его взаимодействии с металлом и шлаком по реакциям:

СО+Н₂О=СО₂+Н₂; Ме+Н₂ОМеО+Н₂; 2FeO+H₂O=Fe₂O₃+H₂ (9.40)

Me + 2Н₂ О  МеО + ОН + ЗН

Учитывая зависимость растворимости от температуры, полагают, что поглощение водорода происходит на стадии капли; в ванне наоборот, идет дегазация. Растворимость водорода зависит как от температуры, так и от парциального давления, по законам Генри и Сивертса. Учет этих двух факторов имеет место в уравнении А.Н. Морозова:

lg v = 0,5 lg p_H2 - 1 745/Т + 0,89 см ³ /100 г (9.41)

Кроме того, на растворимость водорода в железе влияют легирующие элементы. Титан, ниобий, цирконий повышают растворимость, так как образуют с водородом прочные гидриды. Другие элементы - раскислители - марганец, никель, хром косвенно влияют на растворимость, связывая кислород в окислы, а углерод, кремний, алюминий - снижают ее до 40 см³ /100г. В итоге, жидкое железо может поглощать значительное количество водорода (рис. 9.6) даже при низком парциальном давлении. Особенно велика концентрация водорода в условиях многопроходной дуговой сварки под флюсом, когда перегрев металла максимален. В твердом металле остаточная концентрация водорода достигает 10 см³/100г, притом, что основная масса водорода успевает выделиться из металла в результате десорбции в условиях замедленной скорости охлаждения шва под шлаковой коркой.

Присущее всем металлам негативное влияние водорода состоит в образовании при кристаллизации пористости по реакции 2[Н] = Н₂. Возникновение при охлаждении молекулярного водорода, не растворимого в металле, является главным фактором появления пор в шве. Закономерности образования межфазной поверхности газ-металл и рост пор описаны в главе 8, подтверждает, что скорость роста пузырьков определяется степенью пересыщения ванны газами и диффузией атомов газов в зародыш из прилегающих микрообъемов. При локальном пересыщении жидкости у фронта кристаллизации зарождение и развитие пузырьков наиболее вероятно при остановке роста кристаллов, имеющей место в условиях периодической кристаллизации. Для обычных условий охлаждения сварочной ванны наиболее вероятно образование мельчайших пор у линии сплавления, где средняя скорость роста кристаллитов минимальна. Это чаще всего наблюдается при сварке алюминия, меди и их сплавов. При сварке с флюсовой защитой металла, включая комбинированную газошлаковую защиту, существенное снижение главного фактора -парциального давления водорода — в зоне дуги достигается путем его связывания в нерастворимые соединения с фтором (HF) в результате выделения фтора из CaF₂ -входящего в состав флюсов, по реакции:

Характеристики

Список файлов лекций