Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 69
Текст из файла (страница 69)
В Р уги. сварочной ванне эти и о- цессы протекают менее интенсивно, чем в капля р- причинам: ивно, чем в каплях, по следующим 1) темиерат а жи 1 р ур дкого металла в сварочной ванне ниже, в каплях, где она п иближа не ниже, чем р ается к температуре кипения металла; об 2) для сварочной ванны отношение п ъему значительно меньше, чем для капель. поверхности реакции к ле также зависит от его Растворимость газа в жидком металле парциального давления и состояния. Е спи газ находится в атомар- ном состоянии, то его растворимость в металле [Г3 при Т = сопл! согласно закону Ген и п ямо п р рямо пропорциональна его давлению ([Г1 = К ), а ас 2Р,), р творимость двухатомных газов, ов, находящихся в молекулярном состоянии, подчиняется закону С ([Г ивертса ([ 2) = =К2 Рг ), т.
е. прямо п оио 2 р рциональна корню квадратному из давления газа. Количество растворяющегося в металле газа [С", я б ства металлов вели Сл для ольшин- зависимости: ов увеличивается с ростом температуры ио о следуюшеи где А и /г — константы; Е— — теплота растворения газа в металле. 396 Из уравнения (9.!5) следует, что с увеличением температуры металла повышается и содержание растворенного в нем газа, причем в каплях оно может быть значительным. Однако нельзя забывать, что при температурах, близких к температуре кипения металла, имеет место и обратный процесс: содержание газа в металле заметно падает и в момент кипения становится равным нулю, поскольку образуется много паров металла, а парциальное давление газа при этом снижается. Процесс растворения газов в жидком металле состоит из отдельных, протекающих последовательно стадий (подробно рассмотренных в гл. 8): — адсорбции атомов газа поверхностью металла капли и сварочной ванны; — взаимодействия адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом, т.
е. образования растворов и химических соединений (этот процесс называется хемосорбцией); — отвода продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла. Адсорбция и хемосорбция протекают с очень большими скоростями — практически мгновенно. Отвод продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла происходит с меньшей скоростью. На этой стадии процесса растворения газов в жидком металла большую роль играет механическое перемешивание.
При сварке оно проявляется довольно значительно вследствие интенсивного турбулентного движения расплава (из головной части сварочной ванны в хвостовую, см. рис, 9.2), обусловленного давлением дуги на жидкий металл. Наиболыиее насыщение металла газом происходит в каплях. Оно зависит от длительности пребывания капли на торце электрода и времени ее пролета через столб дуги, а также от температуры капли.
Температура, максимальная при коротком замыкании столба дуги каплей, зависит от состава газовой среды. По данным А.Я. Ищенко, в условиях сварки в аргоне при 1, = 400 А алюминиевого сплава АМгб, плавящегося при - 970 К, температура капель достигает 2100 К, а при сварке в гелии — значительно меньшего значения: 1900 К.
Рассмотренная схема растворения атомарных газов в металле, в основе которой лежит закон Генри, получила название химического поглоа!ения газов металлом. Максимальное насыщение газов в твердом или жидком металле достигается в равновесном состоянии. Его зависимости при нормальном давлении от температуры и фазового состояния для Ре, А!, Сп, Н1 и Т1 представлены на рис. 9.6 и 9.7. Из рис. 9.6 следует, что равновесная растворимость атмосферных газов при [Нг]в, смз/!00 г [Нг] []чз] смз/100 г це еитрации приводит к их перемещению в объем металла диффузион иным путем вследствие выравнивания разности концентраций (по механизму концентрационной диффузии). Поэтому при сварке иа обратной полярности («+» иа электроде) в капле растворяется меньше водорода.
Это снизит концентрацию Н2 и в ванне. Степень развития электрического поглощения газов металлом зависит также от значения катодного падения потенциала, состава газовой среды, силы тока и других факторов. 40 30 30 20 20 9.2. Влияние атмосферных газов ня свойства стали и сплавов при сварке 1О 10 9.2.1. Влияние кислорода на свойства стали 0 0 500 Тм 1500 Т, К 500 1500 2500 Т, К и б Рис.
9.6. Равновесная растворимость атмосферных газов в металлах А1, Сп, Гб (а) и водорода и азота в железе (б) а зависимости от температуры и фазового состояния железа при нормальном давлении (при температуре кристаллизации растворимость Нг в А! падает от 0,69 до 0,036 см'/100 г) [Н], смз/100 г 300 100 398 нормальном давлении в алюминии А1, меди Сп, никеле % существенно зависит от температуры и агрегатного состояния металла (при температуре кристаллизации растворимость Н2 в А[ падает от 0,69 3 до 0,036 см !100 г), а их растворимость в железе — и от фазовой мо- 0 дифнкации: Геи, Ге„Геь.
1400 1800 2200 2600 3000 Т, К При электродуговой сварке на- личие электрического поля создаст Рис. 9.7. Снижение равновесной растворимости водорода в та- возможность электРического ионе при высоких температурах глои!ения газов металлом. Оно на- блюдается только у поверхности катода д области активного пятна, куда внедряются положительные ионы газов, переносящие заряды столба дуги. Наличие у поверхности катода слоя положительных ионов повышенной кон- Кислород растворяется во многих металлах, в том числе и в железе.
Изучение особенностей растворения кислорода в железе позволяет сделать выводы относительно взаимодействия кислорода со сталью, основой которой является железо. Железо с кислородом образует три оксида в результате следующих реакций: 2Ге+ 02 ~~ 2ГеО (закись, содержащую 22,7% Ог); 6ГеО + 02 ~ ~2Ге304 (закись-окись, содержащую 27,64 % 02); 4Ге304 + 02 ~2 6Ге203 (окись, содержащую 30,06 % 02). Из этих трех оксидов только закись железа ГеО растворима в железе и поэтому наиболее сильно влияет на его свойства в составе свариваемого металла. Остальные оксиды в железе не растворяются, могут в нем присутствовать только в виде отдельных включений и легко разлагаются при высоких температурах.
Установлено, что при температуре плавления железа предельная растворимость кислорода в железе составляет сотые доли процента (0,16 %), а при комнатной температуре — тысячные доли процента. Твердый раствор 02 в Ге называют оксиферритом. На рис. 9.8 приведена левая часть диаграммы состояния «железо — кислород». При температуре 845 К закись ГеО, находящаяся в железе вне твердого раствора, разлагается с образованием закисиокиси: (9.16) 4ГеО -+ Ге304+ Ге.
Таким образом, при комнатной температуре кислород находится в железе как в твердом растворе Ге„(в оксиферрите), так и в виде включений Ге304. 399 т,к 1900 2С+ Оз Г=1! 2СО; 2Мп+ Оз ~ ~2МпО; Рй+ Ог ~ ~8102. (9.18) 1800 1700 1600 0 0 16 ЕеО+С з=»СО+Ее; ЕеО+Мп ~ зМпО+ Ее; (9.19) 2ГеО+ бй ~ ~8!07 +2ре. о,;о, МПа 8 РеО располагаются по границам зерен металла в виде стекловидных нгл и поэтому играют роль микронадрезов, а комплексы — в 400 300 4 200 2 100 110 105 100 95 90 0 005 0.10 Оъ % Рис.
9.9. Влияние концентрации кислорода на механические свойства низкоуглероднстой стали 401 400 м — 24м 0,32 О, % (мас.) Рис. 9.8. Высокотемпературный участок диаграммы Ее — О (В-В' — линия равновесия трех фаз: раствора [ге + 0), жидкой закнси железа РеО н газообразного кислорода) При сварке наблюдаются существенные отклонения от равновесной диаграммы состояния «железо — кислород». Значительный перегрев жидкого металла увеличивает растворимость кислорода более чем до 0,16 % (ветвь  — В'). В этом случае максимальная растворимость в железе определяется по уравнению 18[О1) = — + 2,7З4. 6320 Т При быстром охлаждении железа может наблюдаться образование пересыщенного твердого раствора Ре„, а вне твердого раствора останется не успевшая разложиться закись железа РеО.
Она войдет в состав легкоплавких ликватов, располагающихся по зонам срастания кристаллов. Наличие легирующнх элементов в стали также влияет на растворимость кислорода. Наиболее сильно снижают растворимость кислорода в железе элементы углерод и кремний, которые являются самыми активными раскислителями, связывающими Оз в оксиды СО и ЯО2. Ввод таких элементов в металл шва относится к физико-химнческнм способам его защиты. Присутствие кислорода в сталях наряду с окислением железа вызывает непосредственное окисление ряда легирующих элементов, например: Очередность окисления элементов обратно пропорциональна их химическому потенциалу (вариант такого расчета приведен в гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
