ТЕОРИЯ сварочных процессов

Закономерности формирования химической неоднородности

Формирование сварного соединения при сварке плавлением сопровождается сложными диффузионными процессами в жидкой и твердой фазах, которые приводят к изменению химического со­става в различных зонах сварного шва, выделению или перерас­пределению примесей и легирующих элементов. При рассмотре­нии явления концентрационного переохлаждения уже указывалось на то, что состав кристаллизующейся твердой фазы будет отличен от состава исходного расплава. Вследствие этого по мере увеличе­ния количества затвердевшего металла состав остающегося рас­плава так же, как и состав образующейся твердой фазы, будет постоянно изменяться. Поэтому при неизменности общего коли­чества примесей в кристаллизующемся объеме сварочной ванны содержание их в различных участках шва неодинаково, что может приводить как к изменению прочностных характеристик, так и к снижению показателей свариваемости.

В качестве примера рассмотрим процесс кристаллизации рас­плава со средним содержанием примеси Q). В равновесных усло­виях процесс протекает в интервале температур кристаллизации Д77, в котором при любой текущей температуре весь объем жидкой и твердой фаз находится в равновесии.

На рис. 12.21 приведен участок диаграммы состояния сплавов, содержащих примесь С, которые образуют непрерывный ряд твер­дых растворов. В начальный момент затвердевания сплава исходно­го состава Со при температуре 7q (на диаграмме точка Aq на линии

ликвидуса) образующаяся твердая фаза имеет состав, соответст­вующий точке Во на линии солидуса, т. е. содержит Cjbo примеси, входящей в твердый раствор. При текущей температуре кристалли­зации расплава 7/ образующаяся из него твердая фаза, состав кото­рой определяется соответствующей точкой Bj на линии солидуса,

будет содержать Срв/ примеси. Поскольку это количество меньше, чем среднее, находящееся в расплаве исходного состава, он обога­щается компонентом С до содержания Сжь соответствующего точке

А і на линии ликвидуса. Таким образом, вследствие того, что обра­зующаяся твердая фаза всегда будет иметь меньшее количество примеси, чем ее средняя концентрация в расплаве, на поверхности раздела жидкой и твердой фаз будет находиться слой жидкости, обогащенной примесью. При температуре завершения кристаллиза­ции Тк прослойки жидкой фазы будут иметь концентрацию Сжк - Распределение примеси или легирующего элемента между твердой и жидкой фазами при постоянной скорости кристаллиза­

ции принято выражать через коэффициент распределения, равный отношению концентраций элемента в твердой и жидкой фазах к - Ств/Сж - Для большинства сплавов к < 1, т. е. растворимость элемента в твердой фазе меньше, чем в жидкой.

При равновесной кристаллизации имеется достаточно времени для диффузионного выравнивания концентрации в жидкой и твер­дой фазах. Поэтому после завершения кристаллизации наблюдает­ся равномерное распределение примеси в твердой фазе Со Равно­весная кристаллизация на практике реализуется очень редко.

В реальных неравновесных условиях кристаллизации сварных швов, даже в случае сварки на «мягких» режимах, диффузия в твердой фазе не получает полного развития и поэтому концентра­ция Ствк будет отличаться от Со. Также не получает полного раз­вития процесс отвода примеси от фронта кристаллизации в жид­кую фазу. В этом случае устанавливается квазиравновесное состояние между твердой и жидкой фазами только в зоне фронта кристаллизации. Скорость протекания этого процесса зависит от температуры расплава, свойств примеси и жидкой фазы, а также от внешних воздействий - конвективного, электромагнитного или механического (перемешивания).

При отсутствии внешних воздействий недостаточная интенсив­ность диффузионных процессов для полного выравнивания концен­трации в жидкости приводит к образованию участка концентраци­онного уплотнения около фронта кристаллизации со стороны жидкой фазы. Степень концентрации примеси и протяженность участка концентрационного уплотнения, как правило, могут увели­чиваться по мере роста объема твердой фазы. Последние порции жидкости могут быть настолько обогащены примесью, что ее кон­центрация в расплаве достигнет эвтектической. Оттесняемая граня­ми растущих кристаллитов, она затвердевает последней, образуя обогащенные примесью межкристаллитные прослойки.

Наличие зон с увеличенной концентрацией примеси приводит к существенному снижению температуры окончания затвердева­ния сплава, определяемой как температура неравновесного соли - дуса.

В зависимости от базы анализа условно различают следующие неоднородности сварных швов:

- макрохимическую неоднородность (иногда называемую зо­нальной ликвацией) на базе 1 мм или более; оценивается отноше­нием Стах/Со, где Со - средний состав сплава;

- микрохимическую неоднородность (МХН) на базе от 10 до 10 мкм; оценивается отношением Cmax/Cmin.

В сварных швах различают следующие виды МХН (рис. 12.22):

1) внутрикристаллитную;

2) межкристаллитную;

3) межзеренную;

4) неоднородность в зоне сплавления;

5) зернограничную;

6) внутризеренную.

Виды МХН обусловлены ликвационными (1^4), сегрегацион­ными (5) процессами и распадом твердых растворов с выделением карбидных и интерметаллидных фаз (6).

Внутрикристаллитная МХН проявляется как различное со­держание примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита (точки /, 2, 3, 3' на рис. 12.22). Степень неоднородно­сти такого вида может быть различной и определяется разными вариантами условий кристаллизации сварного шва.

1. Кристаллизация протекает в условиях полного перемешива­ния расплава при ограниченной диффузии в твердой фазе. Концен­трационное уплотнение в этих условиях практически отсутствует, а кристаллизация проходит при постоянном увеличении концен­трации примеси в расплаве Сж/ по мере увеличения доли затвер­девшего металла g в общем объеме:

Cm=C0(l-g)k-'. (12.41)

Содержание примеси в твердой фазе Cjb; Для этих условий может быть вычислено по формуле

CTBi=kC0(l-g)k-'. (12.42)

2. Конвективные потоки в расплаве малы, а средняя скорость кристаллизации достаточно велика и диффузионные процессы в жидкости не обеспечивают в ней равномерного распределения при­меси. Равновесие между фазами достигается непосредственно на межфазной поверхности. В этом случае возникает концентрацион­ное уплотнение, протяженность и максимальная концентрация при­меси в котором остаются практически постоянными, резко изменя­ясь лишь в начале и в конце процесса. В связи с этим распределение примеси в растущем кристаллите состоит из трех характерных уча­стков (рис. 12.23). В начальной стадии кристаллизации (участок I)

концентрация примеси в твердой фазе Ство = Q)к - Перед переме­щающейся межфазной границей в жидкой фазе происходит посте-

студенты уже получили подготовку в области общенаучных и общетех­нических дисциплин, включая высшую математику, физику, химию, со­противление материалов, материаловедение, термодинамику, электро­технику и др.

Основой данного издания послужил учебник В. Н. Волченко, В. М. Ямпольского, В. А. Винокурова и других под редакцией В. В. Фро­лова «Теория сварочных процессов» (М., 1988), существенно дополнен - ненный и переработанный. Естественно, что в нем нашли отражение главные вопросы теории сварочных процессов, которые разрабатывались как российскими учеными, так и учеными других стран.

Учебник цодготовлен в рамках реализации приоритетного нацио­нального проекта «Образование». Он может быть полезен также студен­там специальностей 150107 «Металлургия сварочного производства», 150206 «Машины и технология высокоэффективных процессов обработ­ки материалов», 150207 «Реновация средств и объектов материального производства в машиностроении», бакалаврам и магистрам направления 551800 «Технологические машины и оборудование», инженерно-техни­ческим работникам сварочного производства.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам, давшим ценные указания по материалу книги.

Все замечания и пожелания читателей, направленные на улучшение книги, будут восприняты авторами с благодарностью и пониманием.

Конечная цель сварочного производства - выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому назначению и тем условиям эксплуатации, для которых они создаются. Обеспечение рациональных форм и определение оптимальных сечений элементов конструкций отно­сится к задачам проектирования. Получение необходимых механических и физических свойств сварных соединений - главная задача, решение которой должны обеспечить технологические процессы сварки. Теория сварочных процессов призвана дать правильное описание совокупности явлений, которые составляют сущность сварки.

Сварка является весьма сложным процессом, в особенности если иметь в виду многообразие способов сварки, основанных на использо­вании различных физических явлений.

Первую группу явлений, которую рассматривает теория сварочных процессов, составляют физические, механические и химические явления, происходящие при подготовке свариваемого материала к образова­нию прочных связей между отдельными частями свариваемой детали. В большинстве случаев это явления, связанные с преобразованием раз­личных видов энергии в тепловую. Металл, будучи нагрет и расплавлен, способен образовывать сварное соединение. Чаще всего при сварке для нагрева металла используют электрическую энергию. Однако существует много способов сварки, в которых используют энергию, выделяющуюся при горении газов, лучевую энергию, механическую, а также их сочета­ние. Физико-химические процессы, лежащие в основе этих способов, описаны в разд. I «Источники энергии для сварки».

Теплота, переданная источниками энергии свариваемому телу, рас­пространяется в нем, подчиняясь законам теплопроводности. Эти явле­ния рассмотрены в разд. II «Тепловые процессы при сварке». Если бы металл не изменял своих механических и физических свойств при повы­шении температуры, то задача изучения нагрева тел при сварке свелась бы только к определению условий, при которых металл в зоне сварки достигает необходимой температуры. В действительности изучение тем­пературных процессов в металле шва и вблизи него необходимо главным образом по двум причинам: для количественного описания многочис­ленных реакций, которые идут между жидким металлом и шлаком или газом и для определения условий кристаллизации металла, различных структурных превращений и термодеформационных процессов в метал-

0,1 0,3 1,0 3,0 10,0

УФ Видимая ИК

области оптического диапазона

Длина волны, мкм

Рис. 2.13. Сплошной спектр излучения столба дуги в сравнении с солнечным спектром (Е. Ролласон, Е. Ван-Соммерн)

линий, излучаемых в разных зонах дугового разряда, можно су­дить о концентрации возбужденных атомов и, следовательно, о

температуре зоны. Сравнивая интенсивности спектральных линий, делают заключение об электронной температуре плазмы и степени приближения ее к термодинамическому равновесию. Важные све­дения о плотности электронов в плазме получают, измеряя ушире - ние спектральных линий.