ТЕОРИЯ сварочных процессов

Вольт-амперная характеристика дуги

Для газового разряда сопротивление не является постоянным (R ^ const), так как число заряженных частиц в нем зависит от ин­тенсивности ионизации и, в частности, от силы тока. Поэтому электрический ток в газах, как правило, не подчиняется закону Ома и вольт-амперная характеристика газового разряда обычно является нелинейной.

В зависимости от плотности тока вольт-амперная харак­теристика дуги может быть падающей, пологой и возрастающей (рис. 2.5). В области I при малых токах (примерно до 100 А) с

увеличением тока дуги /д интенсивно возрастает число заряжен­ных частиц главным образом вследствие разогрева и роста эмиссии катода, а следовательно, и соответствующего ей роста объемной

ионизации в столбе дуги. Сопротивление столба дуги уменьшается и падает нужное для поддержания разряда напряжение {Уд; вольт - амперная характеристика дуги является падающей.

В области II при дальнейшем росте тока и ограниченном сече­нии электродов столб дуги несколько сжимается и объем газа, уча­ствующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к меньшей скорости роста числа заряженных частиц. Напряжение дуги в этой области слабо зависит от тока, а вольт-амперная харак­теристика является пологой. Первые две области на рис. 2.5 опи­сывают сварочные дуги с так называемым отрицательным элек­трическим сопротивлением.

Падающая и пологая вольт-амперные характеристики свароч­ных дуг типичны для ручной дуговой сварки штучными электро­дами с покрытием (РД) и газоэлектрической (ГЭ) сварки, а также вообще для сварки при малых плотностях тока, в том числе и ду­гой под флюсом (ДФ).

Сварка при высоких плотностях тока и плазменно-дуговые процессы соответствуют области III на рис 2.5. Они характе­ризуются сильным сжатием столба дуги и возрастающей вольт - амперной характеристикой, что указывает на увеличение энергии, расходуемой внутри дуги.

Т= 1683 К, Fe5?±FeY

FeO™ FeO ж, Y= 1644 К

1600

0 0,16 0,32

О, % (мае.)

Рис. 9.8. Высокотемпературный участок диаграммы Fe - О {В—В' — линия равновесия трех фаз: раствора [Fe + О],, жидкой закиси железа FeO* и 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-Вг). В этом случае максимальная растворимость в железе определяется по уравнению

1«[02] = -^ + 2,734. (9.17)

При быстром охлаждении железа может наблюдаться образо­вание пересыщенного твердого раствора Fea, а вне твердого рас­твора останется не успевшая разложиться закись железа FeO. Она войдет в состав легкоплавких ликватов, располагающихся по зо­нам срастания кристаллов.

Наличие легирующих 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 О2 в окси­ды СО и Si02. Ввод таких элементов в металл шва относится к фи­зико-химическим способам его защиты.

Присутствие кислорода в сталях наряду с окислением железа вызывает непосредственное окисление ряда легирующих элементов, например:

2С + 02 2СО;

2Мп + 02 <=> 2МпО; (9.18)

Si + О2 ^ Si02.

Очередность окисления элементов обратно пропорциональна их химическому потенциалу (вариант такого расчета приведен в гл. 8, см. пример 8.4).

Кроме того, параллельно могут идти нежелательные обменные реакции взаимодействия легирующих элементов с закисью железа, когда окислителем выступает не свободный кислород, а связанный в оксид FeO:

FeO + С СО + Fe;

FeO +Mn MnO + Fe; (9.19)

2FeO + Si Si02 +2Fe.

Эти реакции прогнозируют по энергии Гиббса. Возможность окисления легирующих элементов устанавливают в результате термодинамических расчетов, которые приведены в гл. 8.

Таким образом, кислород в стали присутствует главным образом в виде оксидов FeO, MnO, СаО и др., в том числе в виде комплексов

с Si02, ТІО2 и другими кислыми оксидами. Как правило, оксиды FeO располагаются по границам зерен металла в виде стекловид­ных игл и поэтому играют роль микронадрезов, а комплексы - в виде легкоплавких ликватов, об­разующих при высоких темпера­турах жидкие прослойки, кото­рые после затвердевания стано­вятся хрупкими.

Наличие кислорода в стали ухудшает все свойства свари - Рис. 9.9. Влияние концентрации ваемого металла (рис. 9.9). С кислорода на механические свой - увеличением содержания кисло - ства низкоуглеродистой стали

рода резко уменьшаются пределы прочности ств и текучести <гт, относительное удлинение 5 и ударная вязкость KCU, причем осо­бенно значительно снижается ударная вязкость.

Наряду с этим при увеличении содержания кислорода в стали происходит следующее: уменьшается стойкость против коррозии; обнаруживается склонность к старению; при содержании кислоро­да более 0,08 % появляется склонность к хладно - и красноломко­сти; усиливается рост зерен при нагреве; ухудшается способность к обработке резанием и ковке; понижается магнитная проницае­мость и увеличивается электрическое сопротивление.