ПЛАЗМЕННАЯ РЕЗКА

Причины газонасыщения кромок и способы его уменьшения

Процессы плазменной резки, обусловленные выплавлением металла мощным электродуговым разрядом, вызывают газонасыщение поверхнос­ти кромок реза газами из атмосферы плазмы, которое связано с кинети­кой их растворения при плазменных процессах. Исследования показали, что насыщение кромок в процессе резки, например в воздушной плаз­ме, происходит в основном азотом и кислородом.

Наибольшую опасность для сварных соединений, выполненных по кромкам плазменного реза, представляет азот.

При плазменной резке в кромки детали азот может попадать двумя путями: из плазмообразующей среды (в случае применения азота, воз­духа или газовых смесей, содержащих азот) и из окружающей атмосферы за счет инжекции в столб плазменной дуги атмосферного воздуха (в слу­чае применения аргона, кислорода и других газов, не содержащих азот).

В зоне дугового разреза происходят диссоциация и ионизация азота. В присутствии кислорода его способность проникать в металл в усло­виях электродугового процесса увеличивается, при этом азот может окис­ляться по реакции:

N2”|-02 * 2NO,

причем ЛЯ° — разность энтальпий системы в результате прошедшей хими­ческой реакции — составляет 90,37 кДж/моль.

Эндотермическое соединение N0 при понижении температуры или окис­ляется до NO>, или распадается вновь:

NO ---- * N + 0.

Ароматный азот в момент своего выделения может растворяться в жид­ком металле [77]. При исследовании газовых смесей азота с различными газами (Аг, О*, СО, СОа, Н2) также установлено, что введение кислорода или кислородосодержащих газов (СО, СОл) при постоянной концентрации азота в атмосфере дуги приводит к увеличению содержания N2 в наплав­ленном металле [64]. Это явление исследователями объясняется по-раз­ному: образованием N0, активацией N2 в дуговом разряде в присутствии Ог, увеличением растворимости азота в железе при сварочных темпера­турах в присутствии FeO, хорошей растворимостью окиси азота в жидкой ванне металла, возрастанием электрического поглощения в катодном (анодном) пятне. В работе [50} указывается, что поглощение азота жид­ким металлом происходит в молекулярном состоянии. Исследовалось пог­лощение азота из плазмы расплавляемым карбональным железом. При расчете парциального давления учитывался кинетический напор плазмен­ной струи.

В диапазонах малых парциальных давлений (PN2) содержание азота в металле пропорционально ~jPN? и на порядок выше концентраций, опре­деляемых из обычных равновесных данных. При малых парциальных дав­лениях исследованная система подчиняется закону Сивертса. При дости­жении определенных значений концентрация азота при плавлении ме­талла плазмотроном косвенного действия оказалась в 3,2, а прямого дейст­вия — в 2,4 раза выше стандартной растворимости азота в жидком железе.

Повышение установившейся концентрации азота над стандартной рас­творимостью в два-три раза необходимо рассматривать как перенасыще­ние. Еще больше концентрация азота оказалась в кромках плазменного реза сталей. При послойном определении концентрации азота спектрально­эмиссионным методом установлено, что максимальное содержание азота в кромке воздушно-плазменного реза в 50 раз больше, чем в исходном ме­талле, и почти в десять раз превышает предел растворимости азота в ста­ли [57).

По-видимому, условия плазменной резки сталей таковы, что насыщение кромок происходит всеми возможными путями и способами. Существен­ную роль в этих процессах играют при диссоциации атмосферы плазмен­ной дуги ионно-молекулярные реакции с участием электронно-возбуж­денных ионов.

Для более четкого представления процессов насыщения азотом кромок плазменного реза рассмотрим характер взаимодействия и растворимость его 8 железе при металлургических процессах, происходящих в равновес­ном состоянии.

В жидком состоянии при атмосферном давлении железо поглощает азот сравнительно слабо и, кроме того, поглощенный азот при затвердевании железа частично выделяется из металла [30. 55].

Азот с железом образует химические соединения: FeN (6-фаза 11,2 % N2); Fe4N (приблизительно 6 % N2); FeieN2 (FesN). Нитрид FeaN можно получить при температуре 450 °С. При повышении температуры происхо­дит распадение этого нитрита и образуется нитрид Fe.(N. Если темпера­туру поднимать выше 550 °С, то наступает распад и этого нитрида. Растворимость азота в чистом железе равна 0,044 % при температу­ре 1600°С.

Под влиянием азота область существования у-фазы сдвигается в сто­рону более низких температур и перлитная точка оказывается уже при температуре 585 °С.

Максимальная растворимость азота в a-железе примерно 0,1 %. Раст­воримость азота в железе зависит от легирующих компонентов [30,55,64].

Углерод понижает растворимость азота в железе. В области аустенит - ного состояния влияние углерода (до 0,8 %) на растворимость азота воз­растает с повышением температуры. В железоуглеродистых расплавах, отвечающих по химическим составам соединению РезС(6,7%С), азот практически не растворяется. Данные по влиянию кислорода — противоре­чивы. По одним данным при содержании кислорода в железе 0,1 % раство­римость азота при 1600 °С в 1,5 раза меньше, чем в чистом железе. По дру­гим — при тех же условиях кислород не повлиял на растворимость азота. Кремний так же, как и углерод, понижает растворимость азота, но при малых концентрациях он несколько ее увеличивает. Никель, кобальт, медь в составе железа в зависимости от их содержания уменьшают раство­римость азота.

Компоненты, образующие устойчивые нитриды (Мп, Cr, V, АІ), уве­личивают растворимость азота. Эти компоненты влияют на связывание азота в сталях и тем самым уменьшают пористость в сварных швах.

азота. Пред­полагается, что прои­зошло образование плохо растворимого в жидкой стали газа — аммиака [69]. О по­ложительном влиянии водорода на уменьше­ние пористости в на­плавленном металле сообщается в работе [82]. Проведенные ис­следования по исполь­зованию аргоно-, азот­но-водородных смесей при плазменной резке также показывают на снижение насыщения кромок реза азотом.

В целях изучения и уточнения распреде­ления азота в кромках плазменного реза в за­висимости от приме­няемых вариантов рез­ки и состава стали вы­полнено много исследо­ваний. Применяемые методы исследований газов в поверхностном слое образца, например вакуум-плавлением, не дают полного представ­ления о распределении этих газов по глубине и на поверхности иссле­дуемого образца [45, 80].

В табл. 3.11 приве­дены результаты иссле­дований авторов рабо­ты [45] по влиянию плазмообразующей сре­ды на концентрацию азота и кислорода в

кромках реза. Плазменная резка образцов из стали 09Г2 толщиной 10 мм производилась воздухом, азотом и кислородом, а из высокомарганцовис - той стали толщиной 8 мм — воздухом. Содержание азота и кислорода в кромках плазменного реза определялось методом вакуум-плавления. Исследовался послойно металл, снятый с кромки в виде стружки с шагом (1,1 мм и иа глубину 0,7 мм.

Из табл. 3.11 следует, что наибольшее количество азота на глубине до - 0,1 мм присутствует в кромке азотного реза (около 0,13 %). При воздуш­ной и кислородной плазме содержание азота оказалось примерно оди­наковым. По данным работы |181] в кромках после кислородной плазмы содержание азота значительно меньше, чем после воздушной.

Минимальное значение содержания кислорода получено при резке азотной плазмой, максимальное — кислородной плазмой. Это вполне за­кономерно, так как при резке в окислительной среде может происходить насыщение металла кромки кислородом, который растворяется в стали.

В результате снижается способность железа адсорбировать азот [55].

В зависимости от состава стали количество азота в кромках реза из­меняется. Из табл. 3.11 следует, что в поверхностном слое воздушио - плазменного реза высокомарганцовистой стали количество азота оказа­лось незначительным (0,015 %), т. е. в пять раз меньше, чем при тех же условиях резки в стали марки 09Г2. Такое содержание азота в данной марке стали можно объяснить, по-видимому, повышенным содержанием поверхностно-активного углерода (0,45 %), который препятствует адсорб­ции азота из газовой фазы плазмы в металл кромки реза. Уменьшение га - зонасышения кромок азотом при увеличении содержания углерода в раз­резаемой стали отмечается также в работе [81].

Методы химического газового анализа и вакуум-плавления дают сред­нюю концентрацию азота на глубину 0,1—0,2 мм порядка 0,3 % по массе и весьма приближенное представление о его распределении в кромках.

Сотрудниками лаборатории спектрального анализа НИФИ ЛГУ был предложен новый спектрально-изотопный метод определения газов в по­верхностном слое металла с помощью оптического квантового генерато­ра (ОКГ) [651. Указанный метод выгодно отличается от других, при­меняемых для решения тех же задач, так как при этом методе не требуется применения эталонов, а также полного выделения и количественного опре­деления исследуемого газа. Возможность получения с помощью ОКГ све­товых пучков с большой переменной плотностью энергии обеспечивает выделение исследуемого газа с поверхности образца.

Для анализа присутствия азота образцы толщиной 3—4 мм выреза­лись из кромки плазменного реза параллельно поверхности реза. Распре­деление азота по глубине от поверхности воздушно-плазменного реза опре­делялось на образцах из стали марки ВСтЗсп толщиной 9 мм путем послой­ного снятия металла с поверхности реза абразивным кругом на плоско­шлифовальном станке с шагом 0,025 мм. Полученные результаты приведе­ны на рис 3.22. Оплавленное пятно на поверхности образца в момент экстрагирования газа из металла в данном случае имело диаметр около 4 мм, глубину в среднем не более 0,0.20 мм. Для осреднения результата экстрагирование газа производилось с поверхности об­разца несколькими импульсами ОКГ на различных участках. Концентра­ция азота в поверхностном слое воздушно-плазменного реза оказалась весьма значительной и достигала 8.7 %. Затем по глубине от поверхности реза концентрация его резко снижалась до 0,005 % N2 в основном металле. Следовательно, в результате воздействия воздушно-плазменной дуги на

Рис. 3.22. Распределение азота в глубину кромки от поверхности реза (плазмообразующая среда воздух, сталь ВСтЗсп толщиной 9 мм)

разрезаемый металл произошло на­сыщение поверхностного слоя реза азотом, содержание которого вблизи поверхности реза на глубине до

0,020 мм возросло более, чем в 1000 раз, по сравнению с содер­жанием в основном металле. На­пример, при азотировании в аммиаке малоуглеродистой стали с содержа­нием углерода 0,12 % в течение 30 ч при температуре 680 °С количество азота в ней не превышало 6,9 % [30]. Причем азот был химически связан в нитрид Fe4N. В случае плаз - J менного насыщения азотом кромки

Расстояние от нижней кромки поверхности реза при металлографических ис-

реза, мм следованиях нитридов вблизи по­верхности кромок не обнаружено.

Насыщенный поверхностный слой отличался слабой травимостью и имел высокую микротвердость (см. п. 3-1). В исследованиях К. В. Васильева

и других авторов также указывается на отсутствие нитритов в кромке плаз­

менного реза. По-видимому, азот в связи с высоким градиентом температур при плазменной резке вблизи поверхности реза (1000—2000 °С) не успе­вает прореагировать с железом и образовать нитрид [67]. В этом случае в результате огромных перепадов температур образуется неравновесная структура металла, в которой не успели произойти до конца необходимые термические превращения. Можно предположить, что азот в поверхност­ном слое кромки находится в виде перенасыщенного раствора, для об­разования которого при плазменной резке создаются благоприятные условия. Интенсивный отвод тепла от поверхностного слоя плазменного реза (литого слоя), создавая кратковременное воздействие азота на металл и способствуя его «заклиниванию», исключает обратный процесс — десорбцию азота. Кратковременным воздействием азота на кромку детали можно также объяснить незначительную глубину его проникновения. Например, при азотировании глубина проникновения при концентрации азота до 0,5 % составляет примерно 0,3—0,35 мм. В данном случае от воздействия плазменной дуги глубина проникновения азота при той же концентрации составляет 0,025—0,030 мм, т. е. примерно на порядок ниже. На рис. 3.23 показаны влияние азота и его содержание в зави­симости от марки стали (плазмообразующая среда — воздух). Экстра­гирование азота с поверхности образцов производилось более сконцент­рированным лазерным лучом на глубину до 0,03 мм, поэтому абсолютное значение содержания его на поверхности выполненных резов оказалось ниже.

Содержание азота определялось в левых кромках реза локально: по нижнему уровню ближе к нижней поверхности листа, в середине и по верх­нему уровню ближе к верхней поверхности листа. Диаметр пятна рас­плавления от лазерного луча составлял 1,6 мм.

При сравнении полученных результатов на марках стали ВСтЗсп, 09Г2, 10ХСНД, близких по толщине и по режимам воздушно-плазменной резки.

2 Ь 6 8 10 12

Расстояние от нижней кромки поверхности реза, мм

Рис. 3.23. Распределение азота на поверхности реза в направлении от нижней кром­ки в верхней в зависимости от состава сталей (плазмообразующий газ— воздух):

/ — ВСтЗсп, 9 мм; 2— ВСтЗсп, 16 мм; 3 — 09Г2. 12 мм; 4 — ЮХСНД, 8 мм

можно заметить, что разница в содержании азота в кромках не очень ве­лика. Почти во всех случаях азота больше в нижней части кромки реза. Особенно это заметно на стали марки ВСтЗсп толщиной 9 мм. Среднее со­держание азота в этой стали на поверхности реза оказалось в 1,5 раза выше, чем у других сталей.

Повышенное содержание азота на нижней кромке реза можно объяс­нить наличием увеличенной литой зоны, о которой более подробно ска­зано в п. 3.1.

Сравнивая две толщины 9 и 16 мм одной марки стали ВСтЗсп, можно заметить существенную разницу по содержанию азота. В кромках образ­цов из стали толщиной 9 мм среднее содержание азота 2,68 %, а в стали толщиной 16 мм азота оказалось 0,71, т. е. почти в четыре раза меньше.

Причина снижения газонасыщения кромок азотом при увеличении раз­резаемой толщины может быть объяснена термическим циклом плаз­менной резки. При увеличении толщины разрезаемого металла скорость резки заметно снижается. Если при толщине 9 мм скорость резки достигает 41 мм/с, то при толщине 16 мм она составляет 21,6 мм/с; при этом тепла на единицу длины реза вводится почти вдвое больше. В связи с этим охлаж­дение кромок при толщине металла 16 мм более медленное, и более дли­тельное пребывание металла при высокой температуре способствует вы­делению части азота из поверхностного слоя реза. На увеличение разогре­ва кромок при меньших скоростях резки указывает повышенная ЗТВ (см. п. 3.1).

Поскольку плазменная дуга в осевой плоскости, перпендикулярной к направлению реза, в плазмотронах с тангенциальной подачей газа не яв­ляется симметричной, то ее термическое влияние на кромки реза (правую и левую) различно. При правом завихрении газа больше тепла выделяется на правой кромке.

Учитывая вышеизложенное, газонасыщение правой кромки должно быть меньше. Некоторые исследователи [57] считают, что, наоборот, газо­насыщение меньше в левой кромке.

Результаты исследований показывают, что изменение ЗТВ и литого слоя этой зоны в правой и левой кромках отличается очень мало. В связи

не

с этим были проведены дополнительные исследования кромок реза в отно­шении насыщения их азотом.

Экспериментальным путем установлено, что содержание азота может быть больше в левой или правой кромке, но в большинстве случаев оно оказалось больше в левой кромке реза. На графиках (рис. 3.24) приве­дены результаты исследований содержания азота по толщине листа в ле­вой (J1) и правой (П) кромках в зависимости от длины столба дуги (от соп­ла до поверхности разрезаемого листа). При длине дуги 8 мм примерно в 3,5 раза больше азота оказалось в правой кромке, чем в левой, причем, в правой кромке по толщине содержание азота резко убывает от нижней кромки к верхней, в то время как в левой — это изменение незначительное.

При увеличении длины дуги до 12 мм произошло увеличение азота в ле­вой кромке, но характер распределения его по толщине мало изменился. В то же время общее содержание азота в правой кромке уменьшилось при сохранении убывающего распределения его от нижней кромки реза к верх­ней. Среднее количество азота в кромках при длине дуги 12 мм оказалось больше в левой кромке (2,34 %N2), чем в правой (1,63 %N2).

При увеличении длины столба дуги до 15 мм среднее количество азота возросло в правой кромке до 2,83, в левой — до 3,81 % за счет увеличения его в основном в нижней части реза.

На основании рассмотренных результатов исследований можно сделать вывод, что насыщение азотом происходит в правой и левой кромках, при­чем в больших количествах. В зависимости от длины дуги содержание его в кромках может изменяться. На распределение азота и общее его содер­жание может влиять много различных факторов; причем тех же, кото­рые влияют на образование и размеры литого слоя со слабой травимостью (см. п. 3. I). Могут оказывать влияние и некоторые другие факторы (влаж­ность воздуха, форма столба дуги, состояние разрезаемого металла, токо - подвод к разрезаемому листу по отношению к резу и др.).

Уже отмечалось, что положительное влияние на десорбцию азота ока­зывает водород, находящийся в составе плазмообразующего газа или получаемый при разложении воды в столбе плазменной дуги.

На основании своих исследований А. Н. Морозов в работе [55| пока­зал, что присутствие водорода в окружающей среде ускоряет выделение азота ил железа в интервале температур 750 -900 °С. Это может быть свя­зано с восстановительным действием водорода, так как пленка окислов на поверхности железа замедляет и поглощение, и десорбцию азота. Отме­чается также, что в сравнимых условиях скорость поглощения азота жид­ким железом и сталью, как и скорость его десорбции, значительно ниже, чем водорода. На основании экспериментальных данных установлено, что численное значение коэффициента скорости массопереноса азота в жидком железе и его сплавах было в четыре - шесть раз меньше, чем водорода. По-видимому, в условиях плазменной резки с высокой кинетикой происхо­дящих процессов и с учетом проникающей способности водорода разница в чассопереносе азота и водорода должна увеличиться и влияние водо­рода на десорбцию азота — возрасти.

Согласно данным работы [55] равномерность распределения атомов азота (и углерода) в феррите нарушается ввиду несовершенств его крис­таллической решетки, к которому относятся дислокации. Вокруг дислока­ций образуются области с повышенной концентрацией растворенных ато­мов азота, которые перемещаются в дефектные участки, где создаются энергетически более выгодные условия для их размещения. Растворимость азота увеличивается в деформированно-напряженном слое стали.

Учитывая изложенное, можно предположить, что благодаря высокой подвижности и проникающей способности водорода в процессе воздейст­вия на металл плазменной дуги дефектные участки металла (дислокации, микронеровности, трещины и другие) па поверхности реза заполняются атомами водорода, препятствуя проникновению менее подвижных атомов азота. Благодаря той же высокой подвижности атомов водорода в процес­се понижения температуры металла происходит его десорбция из поверх­ностного слоя кромки реза.

В исследованиях многих авторов сообщается о положительном влиянии кислородной плазмы на снижение содержания азота в кромках реза за счет уменьшения литого слоя на поверхности реза. т. е. при этом происхо­дит так называемый «смыв-процесс». Кроме этого, кислород образует на поверхности жидкого металла шлаковую пленку, которая уменьшает ско­рость поглощения азота. Растворенный в стали кислород также снижает скорость адсорбции азота жидким железом [55].