Теория сварочных процессов

«Замечания руководителя»

Содержание

1.       Что такое сварка и стадия образование сварочного процесса.

2.       Растворимость газов в металле.

3.       Саморегулирования столба дуги. Баланс энергии и температуры в столбе дуги при РДС, ДФ и газоэлектрической сварке.

1.      Что такое сварка и стадия образование сварочного процесса.

Сварка — процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Обычно применяется для соединения металлов, их сплавов или термопластов, а также в медицине.

Для производства сварки используются различные источники энергии: электрическая дуга, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук. Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только на промышленных предприятиях, но и на открытом воздухе, под водой и даже в космосе. Производство сварочных работ сопряжено с опасностью возгораний, поражений электрическим током, отравлений вредными газами, облучением ультрафиолетовыми лучами и поражением глаз.

ГОСТ 19521-74[2] устанавливает классификацию сварки металлов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.

Физические признаки, в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, подразделяются на три класса:

Термический класс: виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии.

Термомеханический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления.

Механический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления.

К техническим признакам относятся: способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность сварки, степень механизации сварки.

Технологические признаки установлены ГОСТ 19521-74 для каждого способа сварки отдельно.

2.      Растворимость газов в металле.

Для лучшего понимания процессов влияния кислорода и азота рассмотрим их на примере сварки тонкопокрытыми электродами.

Кислород при температуре дуги почти полностью диссоциирует на атомы, а окисление металла с участием атомарного кислорода идет более интенсивно. С железом кислород образует три вида оксидов:

оксид железа (II) (закись железа), содержащая 22,7 % кислорода,

2Fe + О2 ↔ 2FeO

магнетит (закись-окись железа), содержащий 27,6 % кислорода,

6FeO + О2 ↔ 2Fe3O4.

оксид железа (III) (окись железа), содержащий 30 % кислорода

4Fe3O4 + О2 ↔ 6Fe2O3.

При окислении сначала образуются низшие оксиды, которые при соответствующих условиях переходят в высшие. Из трех оксидов железа только оксид железа (II) растворим в железе. Растворимость FeO в железе уменьшается с понижением температуры и при температуре плавления железа 1520 °С составляет 0,83 % (или 0,18 % кислорода), а при температуре 2300 °С растворимость FeO составит 8,5 % (или 1,8 % кислорода).

Фактически при сварке голыми электродами содержание кислорода в наплавленном металле достигает 0,2…0,7 %, что заметно меньше верхнего предела растворимости кислорода. Это объясняется созданием некоторой защиты сварочной ванны парами металла и СО, выделяющимися в процессе плавления металла; наличием в расплавленном металле углерода и марганца, которые ограничивают растворимость кислорода в жидком металле и др.

Наряду с окислением железа при сварке тонкопокрытыми электродами имеет место окисление других составляющих металла стержня и сварочной ванны: С, Mn, Si. Окисление может происходить за счет атомарного кислорода при переходе капли через дугу по реакциям:

С+О→СО;

Мn + О→МnО;

Si + 2O → SiO2,

и за счет взаимодействия с оксидом железа (II) в расплавленной ванне:

FeO + С ↔ СО + Fe;

FeO + Mn ↔ MnO + Fe

2FeO + Si ↔ SiO2 + 2Fe.

Процессы окисления составляющих приводят к тому, что количество полезных примесей в наплавленном металле уменьшается, а содержание кислорода возрастает (табл. 18). Присутствие кислорода в металле резко ухудшает его механические и технологические свойства.

Влияние кислорода на механические свойства металла наплавки показано на рис. 51. С повышением содержания кислорода снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, ухудшается ковкость, коррозионная стойкость, жаропрочность и  другие  свойства металла шва.

Таблица 18.   Химический состав исходных материалов и   металла шва, выполненного электродами со стабилизирующим покрытием

Раскисление за счет углерода реакции (53) приводит к выделению оксида углерода (II), который нерастворим в стали и стремится всплыть на поверхность сварочной ванны. Если шлак, покрывающий сварочную ванну, будет плохо пропускать газы, то это приведет к накапливанию газов по линии раздела металл - шлак, давление газов на сварочную ванну возрастает, скорость всплывания газа из металла замедлится и это при определенной скорости кристаллизации металла шва может привести  к образованию пор.

Рис. 51. Влияние содержания кислорода на механические свойства наплавки

Образование пор вследствие окисления- углерода воз можно еще и тогда, когда эта реакция продолжается в кристаллизующейся части сварочной ванны.

Азот в газовую фазу зоны сварки попадает из окружающего воздуха. В зависимости от температурь азот может находиться в газовой фазе  в молекулярном, атомарном  и ионизированном состоянии, что видно из рис. 15 и 49.

Азот растворяется в тех металлах, с которыми он вступает в химическое взаимодействие с образованием нитридов. К этим металлам относятся железо, марганец, титан, молибден и некоторые другие. Рассмотрим подробнее взаимодействие азота с железом. При высоких температурах азот является весьма активным по отношению к железу и образует с железом химические соединения - нитриды Fe2N (11,1 % N) и FeN (5,9% N), которые устойчивы до определенных температур.

Рис. 52. Растворимость азота и водорода в железе в зависимости от температуры

Диссоциация нитридов при высоких температурах происходит тем полнее, чем выше концентрация азота в металле. Наряду с присутствием азота в железе в виде нитридов азот еще способен растворяться в железе (рис. 52).

Азот существенно изменяет свойства металла шва. Наблюдаемое скачкообразное изменение растворимости газообразного азота в металле при его расплавлении (кристаллизации) может явиться причиной появления и развития пор в металле шва. Увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению и изменению механических свойств (рис. 53).

Для уменьшения содержания азота в металле шва крайне желательно исключить азот из газовой фазы дуги, что достигается сваркой закрытой дугой и сваркой в углекислом газе. В последнем случае металл заметно окисляется и раскисляется, но не поглощает азот. Кроме того, уменьшение содержания азота в металле шва может быть достигнуто введением в металл элементов, имеющих большое сродство к азоту (марганец, титан), за счет которых образуются нитриды, переходящие затем в шлак. Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в газовой фазе при сварке могут служить атмосферная влага, влага покрытия и флюса, влага ржавчины на поверхности сварочной проволоки и свариваемых кромок. Под действием теплоты дуги влага превращается в пары воды, которые диссоциируют по уравнениям:

2Н2О ↔ 2Н2 + О2 - Q;

2H2O↔2OH + H2-Q

повышая концентрацию водорода в газовой фазе. Кроме того, источником водорода могут явиться органические составляющие покрытии (крахмал, декстрин, целлюлоза), которые при плавлении электрода разлагаются и выделяют наряду с другими газами (СО, СО2, Н2О) водород. Некоторое количество водорода содержится в присадочной проволоке и основном металле, поэтому кривая растворимости водорода (см. рис. 52) начинается на ординате выше нулевого значения, что характеризует наличие в основном и присадочном металле растворенного водорода.

Рис. 53. Влияние азота на механические свойства наплавки

В зависимости от температуры газовой фазы, как видно из рис. 15, водород может находиться в ней в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Характерной особенностью атомов и ионов водорода является их способность легко диффундировать в кристаллической решетке железа даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомного расстояния в кристаллической решетке железа.

По кривой растворимости водорода в твердом и жидком железе (см. рис. 52) видно, что по мере увеличений температуры металла растворимость водороду увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в моменты аллотропических превращений железа. Предельная растворимость водорода в твердом железе при 1530 °С составляет 8 см3/100 г или 0,0007 %. Переход металла из твер­дого в жидкое состояние значительно увеличивает растворимость, достигающую 28 см3/100 г или 0,0025 %, По мере дальнейшего роста температуры растворимость   растет, достигая максимума (43 см3/100 г) при температуре 2400 °С, а в области температур, близких к температуре кипения металла, растворимость падает, так как выделяющиеся пары металла увлекают за собой водород.

Учитывая, что температура капель металла в момент их образования на конце электрода и переноса в дуге равна 2200…2500 °С, а средняя температура ванны примерно 1700 °С, можно сделать заключение, что максимальное насыщение металла водородом происходит в дуге при переходе капель металла. И растворимость водорода в капле будет соответствовать верхнему пределу растворимости 43 см3/100 г или 0,0039 %.

Содержание водорода в металле, наплавленном электродами с разным видом покрытия, следующее.

1.    Металл, наплавленный электродами с целлюлозным покрытием,  содержит наибольший объем водорода, достигающий предела насыщения водородом жидкого металла, т. е. 26,6 см3/100.

2.    Металл, наплавленный электродами с кислым или рутиловым покрытием, содержит 13…15 см3/100 г водорода.

3.    Наименьшее содержание водорода в металле, наплавленном электродами с основным  покрытием,  т. е. 8,4 см3/100 г.

Водород существенно влияет на свойства наплавленного металла. Различная растворимость водорода в твердом и жидком металле приводит к выделению водорода при охлаждении перегретого металла, что приводит к разбрызгиванию. При охлаждении расплавленного металла сварочной ванны растворимость уменьшается и водород будет выделяться из жидкого металла. В момент достижения температуры плавления металла и начала его кристаллизации растворимость падает скачкообразно и уменьшается в несколько раз.

В кристаллизующемся металле сварочной ванны существует совместно жидкий и твердый металл, а скорость диффузии водорода при температуре кристаллизации велика, и водород быстро перераспределится между кри­сталлами и жидким металлом. В результате чего жидкий металл окажется пересыщенным водородом, что приведет к его выделению по реакции.

2Н = Н2 + Q.

Но так как молекулярный водород нерастворим в металле, то его выделение из кристаллизующегося металла может явиться причиной возникновения и развития пор в металле шва. Водород может явиться виновником появления ряда дефектов (трещин, «рыбьих глаз» и т. д.) в сварном соединении.

Образование микротрещин в металле шва может иметь место вследствие того, что процесс выделения водорода не прекращается и по окон­чании кристаллизации металла и даже по достижении комнатной температуры. В полностью остывшем металле, пересыщенном водородом, происходит его выделение не только во внешнюю среду, но и в микроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Молекулярный водород, накапливаясь в микрополостях, создает в них большое давление, вызывающее местное разрушение металла.

Рис. 54.   Внешний   вид   «рыбь­его глаза»  в изломе разрывного образца

Образование «рыбьих глаз» встречается на поверхности излома металла шва образцов, подвергшихся деформации с малой скоростью, например при испытаниях на разрыв и загиб. «Рыбьи глаза» выявляются в виде светлого диска небольшого диаметра с очень малой полостью в центральной части (рис. 54). Обычно они возникают вокруг включений. Светлый цвет излома в месте этих дефектов свидетельствует о наличии хрупкого разрушения, связанного с наличием очень больших давлений молекулярного водорода в полости.

Характерно, что «рыбьи глаза» никогда не наблюдаются в изломах сварных образцов, подвергшихся быстрой пластической деформации, например в образцах, испытанных на ударную вязкость. Наличие такого дефекта в изломе образцов обычно вызывает снижение пластических характеристик металла шва (относительное удлинение и относительное сужение). Чтобы ликвидировать склонность металла шва к образованию рыбьих глаз, требуется удалить водород из металла шва, что может быть достигнуто длительной выдержкой металла шва при комнатной температуре или более короткой выдержкой при температуре 250…300 °С.

Под влиянием водорода образуются трещины в основном металле. Нами было установлено, что диффузия водорода в твердом металле возможна только в атомарном состоянии или в виде протона. Растворимость водорода в металле будет зависеть от его температуры; по мере охлаждения водород из мест большей концентрации устремится в более холодные участки основного металла. Атомы водорода, диффундируя в кристаллическую решетку, создают чрезмерное насыщение охлаждаемого металла водородом, что резко снижает пластические свойства металла. В то же время, атомы, диффундируя в несплошности, внутрикристаллические прослойки и т. п., образуют молекулярный водород. Молекулярный водород, накопившись, приводит к возникновению высоких напряжений, превышающих предел прочности основного металла и в околошовной зоне, и возникают трещины. Этому еще способствуют напряжения в сварных соединениях.

На растворимость водорода в металле влияет ряд технологических факторов. Установлено, что растворимость водорода в металле связана с родом тока и полярностью. При сварке на постоянном токе обратной полярности протоны водорода Н+ направляются электрическим полем к сварочной ванне (катоду), температура которой относительно невелика; соответственно и растворимость водорода в металле шва будет небольшой. При сварке на прямой полярности протоны Н+ устремляются к электроду, на конце которого находится сильно перегретый жидкий металл, способный растворить большое количество водорода. Капли этого металла, попадая затем в сварочную ванну, насыщают металл водородом, и содержание водорода в металле будет больше, чем при сварке на обратной полярности.

Уменьшение   содержания   водорода   в   металле   шва может быть достигнуто:

1)   применением для сварки прокаленных толстопокрытых электродов и флюсов;

2)   тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и прочих загрязнений;

3)   выполнением последующих проходов многопроходных швов после полного охлаждения ранее выполненных проходов шва;

4)   предварительным  и  сопутствующим  нагревом деталей.

3.      Саморегулирования столба дуги. Баланс энергии и температуры в столбе дуги при РДС, ДФ и газоэлектрической сварке.

Сварочная дуга в широких пределах представляет собой саморегулирующею систему. Уравнения Саха в этом плане может рассматриваться как условие саморегулирования

Столба по х, р. Т, то есть по степени ионизации, давления , температуре.

   В дуге также устанавливается автоматическое минимальное напряженность Е. Согласно принципу Штейнбека, описывающему это явления, температура Т столба дуги и его тока проводящий радиуса R при данном токе I и в данной среде должна быть таким, чтобы напряженность в столбе минимальной;

∂Е/∂Т=0 ; ∂Е/∂R=0

Саморегулирования по радиусу подтверждается тем, что с ростом тока увеличивается сечения столба и напряженность падает.

Направленное движение ионов и электронов в плазме может быть вызвано двумя причинами:

1) электрическим полем, создающим ток;

2) разницей в концентрации частиц между различными участками плазмы (амбиполярной диффузией). Направленные потоки ионов и электронов в плазме могут возникать не только под действием электрического поля, но и при условиях, когда концентрация частиц в различных точках неодинакова. Силой, приводящей в движение частицы, здесь будет разность давлений. В слабо ионизированной плазме давление электронного и ионного компонентов мало по сравнению с давлением нейтрального газа, поэтому при диффузионном движении заряженных частиц, так же как и при прохождении тока, происходит не перемещение всей массы вещества, а только перемещение составляющих. Характерной особенностью процесса является то, что по условию квазинейтральности скорости диффузии электронов и ионов должны быть одинаковы. Поскольку электроны обладают большой подвижностью, они опережают ионы, создавая благодаря этому опережению электрическое поле, которое сильно тормозит их и слегка ускоряет тяжелые ионы. В результате происходит выравнивание скоростей и весь процесс идет со скоростью, близкой к той, которая в отсутствие электрического поля соответствовала бы диффузионному движению ионов. Такой процесс совместного движения ионов и электронов через газ получил название амбиполярной диффузии.

Кроме того, в неравномерно нагретой плазме обмен частицами между областями с различной температурой создает механизм плазменной теплопроводности, благодаря которому через плазму идет поток тепловой энергии. Перечисленные процессы объединяются общим названием – явление переноса. Они обеспечивают переход от неравновесного к равновесному состоянию.

Теплопроводность плазмы также обусловлена движением частиц. Главную роль в переносе теплоты от более горячих участков плазмы к холодным играют электроны (благодаря большей тепловой скорости). Если вдоль некоторого направления существует перепад температур, то электроны с большими энергиями идут в одну сторону, а с меньшими — в другую.

Пренебрегая очень небольшой долей энергии, получаемой ионами при их ускорении в продольном поле (ионный ток мал), можно считать, что вся энергия, отбираемая разрядом от внешнего источника в столбе дуги, переходит непосредственно электронам плазмы. Эта энергия расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, а также на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях. В конечном итоге баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид:

jE = Wn  + WT + Wk

где Wn — потери столба дуги излучением; WT и Wk — соответственно потери теплопроводностью и конвекцией.

Отношение Wn /(WT + Wk) зависит от режима дуги, формы столба и рода атмосферы.. Однако из опыта известно, что для дуг в парах металлов при I = 100–1000 А до 90% энергии столба дуги теряется излучением. Спектр излучения таких дуг близок к спектру абсолютно черного тела, т.е. они представляют собой эффективные излучатели. Для краткости будем ниже такие дуги называть металлическими или Ме-дугами.

Температура в столбе дуги может быть примерно вычислена по формуле, полученной К.К.Хреновым:

T

KU0

где U0 – эффективный потенциал ионизации, K – коэффициент, принимающий значения K=800 для РДС и K=1100 для сварки под слоем флюса. По длине столба температура принимается постоянной.

Таким образом, анализ проводимости вещества, а также элементарных процессов и термодинамики плазмы показал следующее:

1) в сварочных дугах имеются три характерные зоны – катодная, анодная и столб дуги;

2) столб сварочных дуг при атмосферном давлении представляет собой плазму с локальным термическим равновесием, квазинейтральностью и свойствами идеального газа. В столбе вакуумных сварочных дуг термическое равновесие может не наблюдаться, т.е. Те>(Тi=Тд);

3) с помощью физики элементарных процессов в плазме определяют потенциал ионизации газов Ui, эффективное сечение взаимодействия атомов с электронами (по Рамзауэру) Qe и отношение квантовых весов а2. С использованием термодинамических соотношений определяют эффективный потенциал ионизации U0, температуру плазмы столба Т, напряженность поля Е и плотность тока j в нем.

Приближенные формулы позволяют оценивать значения параметров столба сварочной дуги и влияние отдельных факторов процесса.

1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда

1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии

Приэлектродные области электрического разряда – катодная и анодная – представляют собой переходные зоны между твердыми (или жидкими) поверхностями электродов и плазмой разряда. В катодной области сварочных дуг, как  предполагается, в основном, протекают эмиссионные процессы.

Известны следующие виды эмиссии электронов твердыми телами:

1) термоэлектронная;

2) автоэлектронная (или электростатическая);

3) фотоэлектронная (или внешний фотоэффект);

4) вторичная, возникающая при бомбардировке твердого тела тяжелыми частицами (атомами, ионами) или потоком первичных электронов.

5)экзоэлектронная эмиссия. Она возникает на поверхностях, обработанных с введением энергии извне (при резании и т. п.).

В сварочных дугах превалируют процессы термо- и автоэлектронной эмиссии.

Явление термоэлектронной эмиссии заключается в испускании всеми металлами при достаточно высоких температурах электроны, число которых быстро возрастает с повышением температуры. Механизм этого явления заключается в следующем: электроны проводимости свободно перемещаются по всему объему металла, но не могут выходить за его пределы. Этому препятствует электрическое поле, действующее в узкой зоне, которую называют поверхностным потенциальным барьером или просто барьером; форма и высота его могут быть определены при вычислении  работы, необходимой для удаления электрона из металла – работы выхода. Наличие внешнего электрического поля снижает значение этой работы (эффект Шоттки). Сообщение электронам энергии (при сварке это термоэнергия, выделяющаяся при прохождении электрического тока через площадь контакта при коротком замыкании), приводит к эмиссии электронов.

Явление автоэлектронной эмиссии основано на туннельных переходах – электронной эмиссии с заострений и шероховатостей металлической поверхности под действием внешнего электростатического поля. Объясняются эти переходы волновой природой электронов.

Фотоэлектронная эмиссия является следствием повышения энергии электронов в результате поглощения ими квантов внешнего излучения (света). При этом энергия отдельных электронов оказывается настолько большой, что некоторые из них преодолевают поверхностный барьер и оказываются эмитированными. Явление это носит название внешнего фотоэффекта. В обычных сварочных дугах фотоэмиссия мало поддается количественному расчету и играет незначительную роль в балансе энергии.

Литература.

Теория сварочных процессов под редакции В.В. Фролова Москва «Высшая школа» 1988