ТЕОРИЯ сварочных процессов

Раскисление металла сварочной ванны

Восстановление металла сварного соединения требует удале­ния кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жид­ком состоянии.

Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осу­ществить несколькими путями:

1. Извлечение его более активными металлами — раскисление осаждением.

2. Восстановление металла газовой атмосферой, контактиру­ющей с металлом сварочной ванны.

3. Извлечение оксидов из металлической ванны путем обра­ботки ее шлаками.

Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с разным успехом. Так, для металлов с высокой термодинамической устойчивостью оксидов (титан и алюминий) эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного сварного соеди­нения из этих металлов необходима по возможности полная изо­ляция их от окисляющей атмосферы (инертные газы, вакуум).

РАСКИСЛЕНИЕ ОСАЖДЕНИЕМ

Возможность реализации этого метода заключается в том, что металлы очень ограниченно растворяют свои оксиды и свои суль­фиды, а оксиды и сульфиды других металлов практически не растворяют. Тогда возможен процесс:

[МеО] + [Э] ^Ме+ ЭО.

Здесь ЭО — эндогенное шлаковое включение.

В качестве раскислителей берут активные элементы: марга­нец, кремний, алюминий, титан, редкоземельные металлы (РЗМ), у которых большое сродство к кислороду, зависящее от темпера­туры и концентрации.

Рассмотрим схему диссоциации оксида раскислителя:

2Э0^2[Э] + 02f.

Схема этого процесса показана на рис. 9.15. Число компонентов в этой системе рав­но трем (Э; О; Me), число степеней свобо­ды — двум: С — 3 + 2 — 3 = 2, т. е.

P'o2 = f(T;x). (9.21)

В константу равновесия будет входить ак­тивность раскислителя в растворе металла: КР — ро2эо = рОгЭО • а,,

или

р&гэо— ро2эо/я|; ЛС? эо= АС? эо + 2/?7Чпаэ.

(9.22)

Активность аэ будет определяться концентрацией растворен­ного элемента N3, если он не будет давать насыщенных раство­ров при температуре процесса (диаграмма плавкости Me — Э).

Ввиду того что концентрации раскислителей Э обычно малы, то можно принять аэ « где Nэ— мольная доля. Тогда

AG30= AG?,o4- 2/?ПпМэ. (9.23)

Если Nэ — 1, т. е. раскислитель будет свободным, то AGs-— AGa

Если Nэ 0, т. е. концентрация раскислителя стремится к нулю,

то AGso— — °о — будет окисляться вообще не раскислитель, а металл, в котором он растворен.

Так, при сварке хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, содержа­щей 0,2—0,3% Ті, в металле шва можно сохранить до 0,10% титана, несмотря на его огромное сродство к кислороду. Найдем условия равновесия процесса (AG|0 и AG%,o известны):

[МеО] + [Э] ^ Me + ЭО;

A G = ДОмео — AGso— 0.

Подставляем их значения:

ДОмео = AGjvieo 2#Лпаме — 2^?7'1памео; (9.24)

ДОэо== AG%0 + 2/?Ппаэ, (9.25)

и получаем:

AG = AGMeo 4" 27?Лпаме — 2/?7’1памео — АС? эо — 2RTna, s — 0.

При малой концентрации растворов аме стремится к единице, обращая в нуль выражение 2^ЛпаМе. Преобразуем полученную формулу так:

In (МмеоМэ) = (A GSm - A Gao) /(2 RT). (9.26)

Произведение мольных долей можно принять за константу раскисления, так как оно зависит только от температуры:

Кэ= МмеоМэ= е(До&ео-Ас§о)/(2лг) (9.27)

Если AG%o — оо, то AGVo— ДОэо —«- — оо; /Сэ — 0, т. е. металл будет освобожден от кислорода полностью. Если AG„e0 = AG|o, то никакого раскисления не будет. В металлургии чаще выра­жают концентрации в массовых, а не в мольных долях. Формулу для определения константы раскисления можно записать в следу­ющем виде:

Кэ= [% О] [% Э] — f(T). (9.28)

При пересчете мольных долей в массовые изменяются только

значения числовых множителей в уравнении константы равнове­

сия /Сэ-

В общем случае в выражение константы раскисления войдут коэффициенты уравнения реакции как показатели степени при соответствующих концентрациях.

г

I Раскисление сталей при сварке ведут путем легирования сварочной ванны элементами с большим сродством к кислороду: марганцем, кремнием, титаном, алюминием. Эти элементы вводят или из электродной проволоки, или из покрытия электродов, или из сварочных флюсов в результате обменных реакций/]

Раскисление сталей хорошо изучено и для них существуют уравнения констант равновесия, полученные экспериментально

А. М. Самариным:

[FeO] + [Mn] ^ Fe + МпО;

1п/(мп = lg[% О] [% MnJ = - 25 270/7 + 12,55; (9.29)

2 [FeO] + [SiJ ^2Fe + Si02;

IgKs, =lg[%0]2[% Si] =- 48 174/74- 21,63; (9.30)

2 [FeO] + [Ті] 2Fe + Ti02;

lg/Ст. == lg [% O]2[% Ті] =- 30 700/7+ 10,33; (9.31)

3 [FeO] + 2 [Al] ** 3Fe + Ah03; lg/Сді = lg [% O]3[% Al]2 = — 58 715/7 + 16,5. (9.32)

Решения приведенных выше уравнений для постоянной тем­пературы дают гиперболические зависимости между равновес­ными или остаточными массовыми концентрациями кислорода и раскислителя в металле — для уравнения (9.29) простая, а для уравнений (9.30)... (9.32) —степенные гиперболы.

Графики этих зависимостей приведены на рис. 9.16. Малая активность марганца как раскислителя создает большие оста­точные концентрации марганца в металле, но они не влияют на механические свойства стали (до 1 %). При высоких температурах и достаточно малых концентрациях Мп остаточная концентрация кислорода превышает предел концентрации насыщенного раство­ра L (см. с. 329 ), которая показана на рис. 9.16 штриховой линией. Несмотря на малую раскислительную активность, марга­нец широко применяется в сварочной металлургии, так как кроме кислорода он извлекает из жидкого металла серу, переводя ее в MnS, плавящийся при 1883 К, поэтому при кристаллизации ме­талла шва влияние легкоплавкой сульфидной эвтектики пони­жается и повышается сопротивление металла образованию горя­чих трещин. Обобщенная диаграмма плавкости Me — S для железа, кобальта и никеля приведена на рис. 9.17, указаны температуры плавления сульфидных эвтектик, лежащих ниже температур кристаллизации стали, никеля и кобальта.

Углерод, всегда присутствующий в стали, также можно рас­сматривать как раскислитель:

а)

0,2 0,0 0,6 0,8 1,0 fMn]%

6)

Рис. 9 16 Изотермы раскисления железа марганцем (а), кремнием (б), титаном (в) и алюминием (г)

Реакция между углеродом и оксидом железа эндотермичная и поэтому углерод будет выступать как раскислитель только при высоких температурах — в каплях электродного металла или в сварочной ванне в основании дугового разряда, что приводит к выгоранию углерода при сварке сталей плавлением.

Кремний — более активный раскис­литель стали и для него характерны малые остаточные концентрации кисло­рода в металле. При высоких темпера­турах активность Si как раскислителя уменьшается и он сам может восстанав­ливаться марганцем и даже железом.

Раскисление чистой меди (МО; Ml) при сварке, несмотря на ее малую химическую активность, осложняется ее физическими свойствами:

1. Высокая температуропроводность меди резко сокращает время пребыва­ния сварочной ванны в жидком состоя­нии и равновесие реакций раскисления не достигается.

2. Высокая электропроводность ме­ди резко снижается от присутствия легирующих компонентов и поэтому остаточные концентрации элемента раскислителя должны быть минималь­ными.

Для раскисления меди приходится применять раскислители высокой химической активности (А1, Ті, Zr и даже редкоземель­ные металлы).

При введении раскислителей через специальные электродные проволоки удается получить плотные и прочные сварные швы с удельным сопротивлением на уровне основного металла (~ 1,7 мк ОмХсм). Сварка медных сплавов — латуни и брон­зы — не предъявляет таких требований к раскислителям.

При сварке титана и алюминия — металлов очень высокой химической активности — раскисление осаждением невозможно, поэтому их сварку осуществляют с внешней защитой от окру­жающей среды — в инертных газах, в вакууме или под флюсами, не содержащими кислородных соединений.

Большой недостаток процесса раскисления осаждением — образование эндогенных неметаллических (шлаковых) включе­ний, образующихся по реакции:

[МеО] + [Э] ї±Ме -)- (ЭО),

так как оксиды других элементов обычно не растворяются в ос­новном металле. Эти включения представляют собой концентра­торы напряжений и могут снижать как прочностные, так и плас­тические свойства наплавленного металла, особенно если они будут иметь неправильную форму с малыми радиусами кривизны. Чтобы избежать этого, вводят не один раскислитель, а два или более (например, Мп и Si одновременно), с тем чтобы их оксиды взаимно понижали температуры плавления и включения имели глобулярную форму. Исследования содержания кислорода мето­
дом вакуумной экстракции в наплавленном металле показали, что основная масса кислорода заключена в таких шлаковых вклю­чениях.