Сварка порошковой проволокой - Фрумин И.И.
Скачать (прямая ссылка):
В общем случае процесс образования пор можно разделить на ' две стадии — зарождение и развитие газового пузырька. Для зарождения пузырька необходимы, по крайней мере, три условия:
1) перенасыщение жидкого металла газом; 2) наличие центра; 3) определенная выдержка элементарного объема жидкого металла (инкубационный период) при соблюдении первых двух условий, так как скорость образования газового зародыша критического размера конечна [133]. Развитие пузырька происходит во времени и определяется скоростью атомарной и конвективной диффузии, концентрацией газа в металле (степенью перенасыщения), а также скоростью его десорбции. Сформулированные условия зарождения и развития пузырька вытекают из общих принципов теории фазовых процессов [133].
Перенасыщение жидкого металла газами. Перегретый металл капель и ванны, взаимодействуя с активизированными дугой водородом и азотом, при определенных парциальных давлениях этих газов в атмосфере дуги адсорбирует их в количествах, значительно превышающих стандартную растворимость водорода и азота в металле.
Выше (см. параграфы 5 и 6) отмечалось, что растворимость водорода и азота в жидком железе достигает максимума при температуре 2300—2400° С и снижается с уменьшением температуры металла. В результате этого при охлаждении жидкого металла может быть достигнуто значительное перенасыщение сварочной ванны газами во всем ее объеме.
Растворимость водорода и азота в жидком железе значительно выше, чем в твердом. Поэтому их можно рассматривать как примеси в стали с коэффициентом распределения, меньшим единицы [145]. При контакте жидкого и твердого железа, содержащего
82
водород или азот, будет происходить перераспределение этих газов между фазами путем диффузии.
Результаты численного исследования перераспределения водорода и азота в сварочной ванне для случая движения фронта кристаллизации с многократным чередованием процесса кристаллизации и остановок его позволили прийти к следующим выводам [91]:
[н1,см?тг
Рис. 77. Распределение водорода в жидкой [Н]Пш и твердой [Н]„т фазах (п=0; I; 2) в процессе кристаллизации сварочной ванны с учетом остановок (мгновенная скорость кристаллизации о = 0,2 см/сек; длительность остановок 0,2 сек); Dr=DII(I0~3 см21сек; (1—V — кристаллизационные слои):
----- перед остановкой;-----через 0,02 сек после остановки; ----------- через 0,1 сек после остановки.
1) изменение скорости роста кристаллов оказывает значительное влияние на перераспределение водорода между сварочной ванной и закристаллизовавшимся металлом;
2) чем больше скорость кристаллизации, тем быстрее происходит насыщение жидкости водородом перед фронтом кристаллизующегося металла;
3) концентрация водорода в жидкости перед фронтом закристаллизовавшегося металла растет по мере увеличения количества остановок (рис. 77).
Таким образом, в определенном неперемешивающемся слое жидкого металла на границе с твердым металлом у фронта кристаллизации возможно локальное перенасыщение (экспериментально такое перенасыщение пока установить не удавалось).
Зарождение пузырьков газа. Работа L образования газового пузырька объемом V с поверхностью F определяется разностью значений конечной и начальной потенциальной энергии давления
6;
83
соответственно газа и жидкости, а также работой, затраченной против действия сил поверхностного натяжения жидкости и адгезии стенки, т. е. известным соотношением [155]
1--------гД- (1 — COS 0)
(46)
Жидт фаза ____________ _ _Г
7?7Z77777?77777777?777777777/.
Шрдаи фаза Рис. 78. Схема зарождения газового пузырька.
где рг — давление газа внутри пузырька; рж — давление в жидкости; а — межфазное натяжение; 0 — краевой угол; Fa— поверхность действия сил адгезии (рис. 78).
Согласно формуле (46) вероятность возникновения пузырьков газа на поверхности твердой фазы наибольшая в тех местах, где отношение Fa/F максимальное; при любом значении 0 это отношение будет наибольшим в узких впадинах (зазор между свариваемыми деталями, границы зерен неоплавившихся кристаллов основного металла, впадины между растущими кристаллами при зубчатом фронте кристаллизации).
В процессе образования газового пузырька необходимая энергия, авная работе L, создается при выделении атомарного газа из жидкости и твердой фазы в газовую полость с образованием молекулярного газа по реакции
2Н = Н2 + 103,8 [ккал/моль], (47)
2N = N2 + 170,2 [ккал/моль]. (48)
Величину L в первом приближении можно считать пропорциональной перенасыщению жидкой и твердой фаз газом в зоне оразования пузырьков, т. е.
L = (/C1A[/* + /C,A(/t)V. (49)
где К\ и К-г — коэффициенты пропорциональности; А(7Ж и Шт — перенасыщение жидкого и твердого металла газом.
Подставив выражение (49) в формулу (46) и обозначив через
~ — R — характерный размер газового пузырька, получим, что
минимальное значение R при прочих равных условиях определяется выражением
(1 — cos 0)]
Kmin- ^ж+^дут+(Рг_Рж) •
Из выражения (50) следует, что чем выше перенасыщение, тем мельче зарождающиеся пузырьки газа (соответственно большее их количество на единицу объема жидкости либо поверхности твердой фазы). Зарождение газового пузырька внутри жидкости
