СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Процесс взаимодействия твердой и жидкой металличе­ских фаз при сварке и наплавке сопровождается той или иной степенью развития гетерогенной диффузии в зоне кон­такта. Интенсивность протекания этого процесса определя­ется температурой, длительностью контактирования, гра­диентом концентраций и диффузионной подвижностью ато­мов.

Как уже отмечалось, практически полное подавление диффузионного процесса на границе раздела фаз может быть достигнуто лишь тогда, когда длительность контакта твер­дой и жидкой фаз не будет существенно превышать время ретардации тр. В реальных процессах наплавки время контактирования тк существенно больше, чем время ретар­дации процессов гетеродиффузии.

В большинстве случаев как наплавляемый металл, так и подложка являются сплавами и в связи с этим на свойства получаемых соединений также могут оказывать существен­ное влияние процессы диффузии примесей в зоне контакта.

Характер распределения примесей зависит от коэффи­циента распределения kt характеризующего различную растворимость элементов в твердой и жидкой фазах, от коэффициентов диффузии DT в твердой фазе и Ож в жидкой, продолжительности процесса т и градиента концентрации примеси на границе сплавления. Значения коэффициентов диффузии DT зависят от температуры, концентрации, струк­туры, примесей, напряженного состояния и могут меняться в широких пределах (от 1—10-11 до 1 • 10“20 м2/с-1 и ме­нее).

Значения коэффициента диффузии £>ж в жидкости лежат в пределах 10-8 • 10-10 м2/с-1. Равновесный коэффициент

распределения^ KQ = в зависимости от типа диаграммы

состояния может быть больше или меньше единицы.

Для большинства случаев диффузии элементов заме­щения величину эффективного коэффициента распределения К можно не учитывать при решении гетерогенных задач с точностью порядка 0,1—0,01 % [25].

В этих случаях для расчета можно пользоваться при­ближенными уравнениями:

где АС0 = Сто *— Сжо] Ст ‘— концентрация элемента А и

Сж — концентрация элемента В в жидком металле А. Сто и Сжо — начальные концентрации примеси в твердой и жидкой фазе.

Для оценки работоспособности соединения важно знать не только состав металла, но и характер распределения хи­мических элементов по его сечению. В работе [29 І показано, что при значительной разнице составов основного и приса­дочного материалов в металле шва вблизи границы сплав­ления образуется зона переменного состава, обусловленная, несмотря на малые скорости сварки, турбулентным характе­ром движения жидкости в сварочной ванне и образованием вблизи твердых стенок пограничного слоя.

Зависимость толщины пограничного слоя от скорости потока по гидродинамическим условиям имеет вид степен­ной функции [26]

(б)

где v — кинематическая вязкость жидкости; v — скорость перемещения жидкого металла относительно твердого; п — константа, зависящая от характера потока (для лами­нарного потока жидкости 0,5, турбулентного — 0,2).

При наплавке дугой прямого действия движение на­плавляемого металла в сварочной ванне должно иметь боль­шую турбулентность, чем при наплавке без расплавления стали, например, при плазменной наплавке.

Из выражения (5) следует, что при наплавке без расплав­ления стали пограничный слой должен быть меньше, чем при наплавке с расплавлением стали.

Как при сварке — пайке, так и при сварке плавлением в определенный момент существует неравновесная двух­фазная система — жидкий присадочный (наплавленный) и твердый основной металлы. Для одних и тех же сплавов в зависимости от способа сварки или наплавки состав кон­тактирующего с основным металлом жидкого присадочного сплава, температура нагрева, состояние контактной поверх­ности твердого основного металла, а также длительность контактирования твердой и жидкой фаз различны. Посколь­ку система твердый металл — жидкий металл неравновес­на, то даже незначительное время существования этих не­равновесных фаз будет способствовать протеканию между ними диффузионных процессов в направлении установле­ния фазового равновесия [6].

Глубина проникновения диффундирующего вещества подчиняется параболическому временному закону

х =* т VDTt> (6)

где т — постоянный для данных материалов и условий коэффициент; DT — коэффициент диффузии элементов рас­творимого вещества в растворителе; t — длительность про­текания диффузионного процесса. Величина т меняется незначительно с изменением температуры.

Так как при сварочных процессах температура нагрева все время меняется, выражение (6) примет вид

Л __________________________________

х =* tn (V Diiti 4" ~VГ^т2^2 4"' * * "Г (7)

i=l

Для определения глубины диффузионного проникнове­ния жидкого металла в твердый необходимо знать длитель­ность контактирования твердой и жидкой фаз. Однако при расчетах необходимо учитывать, что одновременно с про­цессом диффузии элементов жидкого присадочного металла протекает процесс растворения основного металла в жидком присадочном сплаве, поэтому практически наблюдаемая глубина проникновения элементов составит

*пР = х — хр, (8)

где Хр —■ глубина растворившегося слоя основного металла в жидком присадочном.

Тогда выражение для определения глубины проникно­вения

П

хпР = ^{mVDTltx —.axtx) + (т Y— attt) - f • *»

( ‘ 1

• • • 4~(m Y~Dmtn —

где a —■ линейная скорость растворения.

Этой формулой можно пользоваться для определения глубины проникновения, например меди в сталь и других сочетаний.