 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь Сибирь" ИНН 5405075282 Erid: 2SDnjf1Guop
| |
В статье Потери легирующих элементов в зоне сварки были приведены величины потерь элементов в дуге и сварочной ванне при различных вариантах состава основного к электродного металла и изменениях окислительной способности защитной атмосферы.
Представляет значительный интерес выяснить, за счет каких факторов при сварке в окислительной атмосфере (углекислый газ и смеси аргона с кислородом) потери элементов в дуге значительно больше потерь тех же элементов в сварочной ванне. Потери элементов в зоне сварки зависят от состава газа и металла, а также их температуры, контактной поверхности и времени соприкосновения. Если производить сварку при одинаковых исходных концентрационных условиях (защитный газ, электродная проволока, основной металл), то потеря легирующих элементов будет в основном определяться температурой газа и жидкого металла, а также их контактной поверхностью и временем соприкосновения, зависящим от параметров режима сварки. Влияние этих факторов (каждого в отдельности) на усвоение легирующих элементов металлом шва пока остается невыясненным.
Имеющиеся в современной сварочной литературе предположения по этому вопросу, по-видимому, переоценивают роль контактной поверхности и времени соприкосновения металла с газом.
О температуре металла и газа в зоне сварки.
Дуговая сварка характеризуется высокими значениями и резкими перепадами температуры в газовой фазе и в жидком металле. Наибольший интерес представляет температура взаимодействующих фаз на поверхности их раздела.
По имеющимся данным, средняя температура металла электродных капель повышается с увеличением тока и его плотности и достигает 2150-2350° С.
В.И. Дятлов, используя уравнение Н.Н. Рыкалина, описывающее распространение тепла от быстро движущегося источника в полубесконечном теле, теоретически доказал, что средняя температура металла сварочной ванны определяется теплофизическими свойствами основного металла и не зависит от режимов сварки.
И.К. Походня и И. И. Фрумин подтвердили правильность этого вывода. Они экспериментально установили, что при сварке малоуглеродистой стали под флюсом средняя температура металла сварочной ванны составляет около 1770°. Экспериментальные данные о средней температуре газов, соприкасающихся с металлом электродных капель и сварочной ванны, отсутствуют.
Если допустить, что окислению металла при сварке в атмосфере углекислого газа должна предшествовать его термическая диссоциация, а активность кислорода, образующегося в результате такой диссоциации, равна активности кислорода, находящегося в эквивалентной смеси с аргоном, то на основании экспериментальных данных можно в первом приближении оценить температуру газов, контактирующих с металлом в различных участках зоны сварки.
Следует оговориться, что в настоящее время среди металлургов большим распространением пользуется адсорбционно-каталитическая точка зрения, согласно которой процесс восстановления и, вероятно, окисления осложняется явлениями адсорбции. Однако насколько справедлива эта точка зрения на окислительные процессы, протекающие при температуре порядка 1600° и выше -вопрос открытый.
На основании принятых допущений углекислый газ, находящийся в контакте с жидким металлом, должен иметь температуру, которая обеспечивает такое же парциальное давление кислорода, какое имеется в эквивалентной ему смеси аргона с кислородом. Составы смесей аргона с кислородом, эквивалентных по своей окислительной способности углекислому газу, были определены выше.
Средние температуры газа, контактирующего с жидким металлом в различных участках зоны сварки, оценивались путем сопоставления полученной в результате расчета кривой с концентрацией кислорода в эквивалентных смесях аргон - кислород.
Такого рода сопоставление приводит к следующим средним значениям температуры и степени диссоциации углекислого газа:
В дуге - 2900 °С, степень диссоциации 0,58
В сварочной ванне - 2300 °С, 0,15
В общем процессе - 2600 °С, 0,36
 Построенная на основании экспериментальных и расчетных данных схема изменения температуры металла и газа и состава газа по оси сварочной ванны приведена на рисунке справа.
О поверхности электродных капель и сварочной ванны. С металлургической точки зрения наибольший интерес представляет удельная поверхность контакта металла с газом, т. е. отношение контактной поверхности металла с газом к объему жидкого металла.
Приближенно удельную поверхность электродных капель (полагая, что они имеют шарообразную форму) можно выразить как отношение:
ƒк=S/V=3/r см-1
где S, V и r- соответственно, поверхность в см2, объем в см3 и радиус капель в см.
На основании опытных данных и сравнения их с литературными данными по скоростной киносъемке дуги, горящей в аргоне, можно предположить, что при сварке, в углекислом газе средний радиус капель лежит в пределах 0,5-2,0 мм
 Поверхность сварочной ванны в первом приближении можно принять равной площади эллипса, а ее объем, равным половине объема эллипсоида (рисунок слева).
Если учесть, что при выбранном варианте сварки количество шлака невелико и он покрывает лишь незначительную часть по верхности шва, то удельную поверхность сварочной ванны fв приближенно можно выразить, как верхности шва, то удельную поверхность сварочной ванны fв приближенно можно выразить, как
где а, b, с - полуоси эллипсоида (фиг. 23);
r3 - коэффициент заполнения сварочной ванны жидким металлом, принятый равным 0,9;
Н - глубина сварочной ванны, принятая по результатам обмера макрошлифов равной 0,6 см.
Подсчеты величин fк/fв при различных размерах электродных капель и сварочной ванны приведены в таблице ниже.
Данные таблицы показывают, что отношение fк/fв может колебаться в широких пределах. Для принятых условий сварки в атмосфере углекислого газа (r = 0,5-2,0 мм и Н = 6,0 мм) это отношение изменяется в пределах 4,05-16,2.
О времени контактирования газа с электродными каплями и сварочной ванной. Приближенно можно считать, что время контактирования газа с электродным металлом равно времени полета электродных капель через дугу, а время контактирования газа с металлом сварочной ванны равно времени пребывания металла в жидком состоянии.
Отношение удельной поверхности электродных капель к удельной поверхности сварочной ванны К = 0,9:
По имеющимся данным по сварке нержавеющей стали в атмосфере аргона средние скорости капель при плотности тока 60-75 а/мм2 достигают 6,0-12,3 м/сек. Большое влияние на протекание сварочных реакций при сварке нержавейки оказывают присадочные металлы, такие как титан, алюминий, медь и дргие, подробнее о них можно прочитать в соответствующих разделах марочника металлов, а с ценами на лондонской бирже цветных металлов лме также можно ознакомится на страницах текущих курсов.
Сварка в углекислом газе при длине дуги 5 мм характеризуется, по-видимому, более низкими скоростями полета электродных капель вследствие менее строгой их направленности (за счет разбрызгивания).
Время полета капель через дугу длиной 5 мм только под действием силы тяжести составляет 0,032 сек. Можно предположить, что при сварке в углекислом газе электродные капли могут находиться в дуге длиной 5 мм в течение 0,01-0,03 сек.
Время пребывания металла в сварочной ванне обычно принято оценивать величиной tmax:
tmax = L/w cек., (32)
где tmax - максимальное время существования сварочной ванны в сек.;
L - длина сварочной ванны в см;
w - скорость сварки в см/сек.
Учитывая интенсивное перемешивание жидкого металла при сварке, время его пребывания в сварочной ванне в жидком состоянии правильнее оценивать величиной tcp, которую можно определить из отношения
tcp=Vв /Vс (33)
где tcp - среднее время существования сварочной ванны в сек.;
Vв - объем жидкого металла в сварочной ванне в см3;
Vс - объем металла, переплавленного дугой в 1 сек., в см3.
Представляя объем металла сварочной ванны как часть объема эллипсоида и выражая полуоси последнего через размеры сварочной ванны, а объем наплавленного металла через ток, коэффициент наплавки и удельный вес жидкого металла, будем иметь
где tcp- среднее время пребывания металла в сварочной ванне (в жидком состоянии) в сек.;
r3- коэффициент заполнения сварочной ванны жидким металлом;
m - доля электродного металла в металле шва;
γ -удельный вес жидкого металла сварочной ванны в г/см3;
L,B,H - соответственно, длина, ширина и глубина сварочной ванны в см;
I - ток в а;
ан - коэффициент наплавки в г/а-ч.
По опытным данным сварка спокойной стали Ст3сп проволокой Св-20ХГСА при скорости 12,6 м/час, характеризуется следующими данными: r3 - 0,9; m = 0,48; γ = 6,75; L - 3,2 см, B = 1,5 см; Н = 0,6 см; ан=12 г/а-ч.; I = 265 а.
При таком технологическом варианте сварки среднее время нахождения металла сварочной ванны в жидком состоянии, рассчитанное по формуле (34), будет равно 3,75 сек.
В таблице ниже приведены сводные данные о температурах, удельных поверхностях и времени контактирования металла с газом в дуге и сварочной ванне. В той же таблице для сопоставления также приведены данные о количестве кислорода, прореагировавшего в зоне сварки с легирующими элементами металла.
Рассматривая данные, приведенные в таблице ниже, можно заметить, что количество кислорода, прореагировавшего в дуге в 10 раз больше количества кислорода, прореагировавшего в сварочной ванне, несмотря на то, что время контактирования металле с газом в первом случае в сотни раз меньше, чем во втором.
Указанное обстоятельство является подтверждением известного металлургам положения о том, что даже при температурах мартеновского процесса (1480-1650°С) «внутренние скорости реакций» так велики, что в большинстве случаев их невозможно измерить.
Температура, удельная поверхность, время контактирования металла с газом и количество прореагировавшего кислорода в различных зонах сварки:
При сварке на принятом режиме удельная поверхность электродных капель в 4-16 раз больше удельной поверхности сварочной ванны. Очевидно, однако, что и это обстоятельство не оказывает решающего влияния на величину потерь элементов в различных участках зоны сварки. Размер электродных капель сильно уменьшается, а их удельная контактная поверхность увеличивается с ростом тока и его плотности. В то же время, как будет показано ниже, изменение тока в широких пределах слабо влияет на состав металла шва. Таким образом, основным фактором, определяющим различные потери элементов в дуге и сварочной ванне, является температура процесса.
На основании сказанного можно полагать, что при дуговой сварке в атмосфере окислительных газов химический состав металла шва, по-видимому, в основном зависит от температуры, концентрации и активности реагирующих элементов и слабо зависит от удельной поверхности и времени контактирования металла с газом.
Если допустить, что при сварке одних и тех же материалов на различных режимах удельная энергия дуги, приходящаяся на единицу переплавленного металла, и коэффициенты смешения (т и п), определяющие исходные концентрации элементов (Сn). изменяются не слишком сильно, то можно ожидать слабой зависимости химического состава металла шва от тока и скорости сварки.
Таким образом, «правило постоянства состава», сформулированное К. В. Любавским для сварки под флюсом, должно, быть в определенном интервале режимов справедливо и для сварки в атмосфере углекислого газа.
Приведенные в таблице ниже данные по сварке в атмосфере углекислого газа подтверждают выдвинутое предположение. Влияние изменений удельной поверхности и времени контактирования металла с газом, вероятно, может сказываться на потерях легирующих элементов только тогда, когда образующиеся в результате реакций окислы будут покрывать всю или значительную часть контактной поверхности металла с газом.
Химический состав металла швов, выполненных в атмосфере углекислого газа на различных режимах сварки:
Значительные изменения в содержании хрома объясняются отсутствием этого элемента в основном металле и его слабым окислением, приводящим к большой зависимости концентрации этого элемента в металле шва от коэффициентов смешения. | 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ