ТЕОРИЯ сварочных процессов

Эффективное сечение взаимодействия

После возбуждения разряда ионизация в газе может происхо­дить в основном двумя путями: взаимным соударением частиц и поглощением квантов энергии (фотоионизация). Одновременно идут процессы деионизации, т. е. образование нейтральных частиц при взаимодействии положительных ионов и электронов.

Для характеристики вероятности столкновений частиц в газе служат такие величины, как длина свободного пробега частицы А, среднее время пробега т = AJv и частота столкновений частиц v = 1/т.

Мерой вероятности индивидуального акта определенного рода (например, упругого соударения, ионизации и т. д.) является соот­ветствующее эффективное сечение Q, которое для обычных газов часто называют газокинетическим:

Q = nd2, (2.15)

где d - диаметр частицы.

Чтобы произошло столкновение, центры молекул должны на­ходиться на минимальном расстоянии, равном диаметру d части­цы. Принимая модель упругих шаров, можно построить схему для определения Q (рис. 2.7), из которой следует геометрический смысл эффективного сечения Q - это площадь круга радиусом, равным сумме радиусов сталкивающихся частиц. С учетом движе-

При обосновании выбора флюсов для сварки различных марок сталей можно ориентироваться на коэффициент химической ак­тивности флюсов согласно следующей классификации:

высокоактивные - Аф >0,6 (ОСЦ-45, АН-348-А, ФЦ-6 и др.); активные-Аф = 0,6...0,3 (АН-42, АН-26); малоактивные - Аф = 0,3...0,1 (АН-20, АН-22, ФЦЛ-1 и др.); пассивные - Аф < 0,1.

Флюсы с максимальным значением Аф считают кислыми. Они обеспечивают наиболее эффективное легирование металла шва кремнием и марганцем через флюс в процессе сварки под флюсом. Как было указано ранее, эти элементы связывают кислород, рас­творенный в металле, в оксиды при температурах, близких к тем­пературе кристаллизации металла в хвостовой части сварочной ванны. В этом случае образующиеся продукты реакции раскисле­ния в виде твердых частиц Si02, МпО и их возможных соединений

(например, МпО • Si02) не полностью удаляются из металла сва­рочной ванны в связи со столбчатым строением шва и переплете­нием осей кристаллитов, особенно в узких швах. Они остаются в металле шва в качестве эндогенных включений.

Исследования показали, что почти весь кислород, захваченный металлом при сварке, входит именно в такие неметаллические

включения, а поэтому концентрация кислорода в металле [О2], оп­ределяемая способом вакуумной экстракции, характеризует засо­ренность металла шва неметаллическими частицами.

При ЭТОМ одновременное выделение включений МпО И Si02 в соотношениях, приводящих к образованию легкоплавких ком­плексов Si02 *MnO (Гпл = 1473 К), способствует более полному удалению их из ванны.

Наличие в металле эндогенных шлаковых включений, служа­щих концентраторами сварочных напряжений, сильно влияет на физико-механические свойства легированного металла шва, в ча­стности на его пластичность и ударную вязкость. Однако при ма­лом содержании легирующих элементов в шве ударная вязкость является достаточно большой и влияние на нее концентраторов напряжений мало. Это характерно для швов на низкоуглеродистых сталях.

К основным флюсам относятся малоактивные и пассивные флюсы с Аф < 0,3. Они предназначены для сварки легированных
сталей, содержат большое количество СаО (первый необходимый компонент), у которого при сварочном нагреве диссоциация не происходит (Гдисс > 5000 К). Поэтому такие флюсы не оказывают окислительного воздействия на металл. Второй необходимый ком­понент таких флюсов - бескислородный оксид CaF2, вводимый для снижения температуры плавления основы (Т^саО = 2973 К). Третий необходимый компонент каждого флюса - SiC>2 - вводится в основные флюсы для улучшения отделимости шлаковой корки. Количество Si02 определяют исходя из требования его полного связывания в комплексы, т. е. для перевода в связанное неактивное состояние. Такие флюсы применяют при сварке низколегирован­ных и высоколегированных сталей для решения главных задач - защиты металла сварочной ванны от взаимодействия с атмосферой и его рафинирования. При сварке проводят осадочное легирование металла шва вводом элементов в электродную проволоку. Однако многие легирующие элементы частично окисляются в каплях и создают неметаллические включения из оксидов, снижающие ударную вязкость швов.

При автоматической сварке для более эффективного легиро­вания в сварочную ванну пода­ют дополнительную присадочную проволоку в нагретом состоянии.

Такой процесс называют сваркой С дополнительной горячей при­садкой (сварка с ДГП по методу Б. Ф. Якушина, рис. 10.5). Металл присадочной проволоки расплав­ляется теплом жидкого металла в глубине сварочной ванны. Поэто­му он не взаимодействует с газа­ми дуги, не перегревается, не проходит стадию капли и не на­сыщается водородом. Кроме того, он практически не взаимодейст­вует со шлаком, что позволяет сохранить в полной мере все со­держащиеся в проволоке леги­
рующие элементы, химически активные модификаторы и рафини­рующие элементы (иттрий, церий, лантан и др.).

Керамические, или неплавленые, флюсы для сварки металлов позволяют сохранять все преимущества механизированной сварки под слоем плавленого флюса (малые потери металла, высокая про­изводительность, высокое качество сварных соединений), но в то же время позволяют легировать и раскислять металл сварочной ванны в очень широких пределах, используя осадочное легирова­ние при вводе ферросплавов в составе флюса.

Высокая раскислительная способность керамических флюсов позволяет вести сварку даже по окисленным кромкам (при мон­тажных работах в строительстве, в судостроении). Керамические флюсы используют для сварки сталей различного легирования и для сварки цветных металлов - меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов и др. Основной недостаток керамических флюсов состоит в том, что они обладают повышенной гигроскопичностью, не до­пускают высокотемпературной прокалки (Т < 873 К), что приводит к повышенному содержанию водорода в сварных швах. Кроме то­го, для хранения керамических флюсов требуется герметичная та­ра и перед сваркой их нужно прокаливать.