Особенности дегазации сварочной ванны при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.791.92.046

В.Я. Зусин, В.А. Серенко

ОСОБЕННОСТИ ДЕГ АЗАЦИИ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ ПРИ НАПЛАВКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ

При наплавке порошковой проволокой наиболее эффективным путем повышения плотности металла шва из алюминиевых сплавов является интенсификация процесса пузырьковой дегазации как на стадии капли расплавленного металла так и на стадии ванны [1].

Введение в состав шихты порошковой ленты фтортитаната калия в качестве модификатора наплавленного металла приводит к получению в

шовой фазе над поверхностью сварочной ванны газообразного Т1Р4, образующегося при диссоциации Т1Гь

Расчет • энергии Гиббса реакции { I ) показывает, что она термодинамически обоснована Л(7Ш0{| ~ 231 1,36 кДж ¡МОЛЬ. С увеличением температуры интенсивность реакции ( 1 ) возрастает. Образующийся может взаимодействовать с ьодородом, находящимся в газовой фазе по реакции

Если реакция ( 2 ) будет протекать в газовой фазе, то парциальное давление водорода над жидким металлом будет снижаться и. следовательно, концентрация водорода в сварочной ванне будет уменьшаться. Этот принцип связывания водорода в ///*' нерастворимый в жидком металле, широко используется при сварке сталей [2] для предотвращения растворения водорода в жидком металле и как мера борьбы с водородной пористостью.

При наплавке алюминиевых сплавов возможны отклонения от данной схемы, так как сродство к фтору у алюминия выше, чем у водорода [3]. Для анализа состава газовой фазы над поверхностью сварочной ванны при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой, содержащей в составе шихты проводились термодинамические исследования

взаимодействия паров воды со фторидами при одновременном протекании обменных реакций, а также с учетом массообмена между газовой и металлической фазами. Расчет проведен по методике и программам И.К.Походки. [4].

Для нахождения равновесного состава системы использовался наиболее общий критерий термодинамического равновесия для любой произвольной закрытой системы, а именно: минимум полного изобарно-изотермического потенциала (7 при постоянных температуре 7' и давлении Р.

К2 -> 2 К У + Tif\

( ! )

77 -> 77 Ь\ + Ш:

(2)

Сг = и- ТЯ + РУ,

(3)

где I) - полная внутренняя энертия системы; Л' - энтропия системы; V - объем системы .

Для нахождения минимума потенциала О представляется как функция состава рассматриваемой системы, а затем ищется экстремум такой функции при условии, что для системы в целом выполняется закон сохранения массы (то есть общее количество каждого химического элемента в системе остается неизменным) и, кроме того, справедливо уравнение состояния для газовой фазы:

ру = п-Н-Т. (4)

где п - число молей;

!< - универсальная газовая постоянная.

Таким образом, задача сводится к нахождению условного экстремума функции, который находился с помощью метода неопределенных множителей Лагранжа.

В качестве входных данных в программе используется состав системы при нормальных условиях ('/' = 300 К и Р — 1 атм), а также температурные зависимости термодинамических потенциалов всех входящих в систему веществ. Результаты расчета выводятся как равновесный состав системы при ■заданных давлении и температуре.

1,0 Г—!---1---,

■пь

РисЛ. Влияние 77/^ на состав газовой фазы.

и -#2, • - Н HF,^-TiF3,n-TiF2,lJ-TiF Л!Г,

Согласно полученным результатам расчетов (рис л) с увеличением концентрации 77 /*"4 в составе газовой фазы от I до 5 % вес., равновесные концентрации ИР, Н2 , Л не изменяются и составляют соответственно 0,06 %, 0,07 % и 0,01 %, а концентрации 77/' ,, 77/", возрастают. Следовательно,

в газовой фазе не происходит связывание водорода в нерастворимый в жидком металле НИ и создаются благоприятные условия для насыщения сварочной ванны водородом с последующей ее дегазацией. Схемы возможных

вариантов процесса дегазации сварочной ванны при наплавке алюминиевых сплавов порошковой лентой представлены на рис.2.

V - и *

Рис.2. Схема пузырьковой дегазации сварочной панны,

Коалесцешдия пузырьков в сварочной ванне приводит к дискретному их увеличению в объеме и скачкообразному повышению скорости всплывания крупных пузырьков. После завершения первой стадии дегазации в сварочной ванне возможно наличие мелких пузырьков, которые вследствие продолжающегося процесса их объединения между собой, по истечению некоторого времени, создадут в ванне крупные пузырьки. Быстрое всплывание крупных пузырьков обозначит новую стадию дегазации сварочной ванны.

Если вторая стадия процесса дегазации не успевает завершиться к моменту кристаллизации сварочной ванны (/„,). то в наплавленном металле

фиксируются поры (рис.2, а). Для полного завершения дегазации ванны необходимо либо увеличить время существования ванны (рис.2, б), либо интенсифицировать процесс дегазации путем искусственного увеличения радиуса пузырьков за счет введения реагентов (рис.2, в). При наплавке на жестких режимах, характеризующихся большой скоростью сварки, за короткое

время существования ванны (тв) пузырьки не только не успевают всплыть на

поверхность, но и не получают развития в объеме. В металле швов в таких случаях фиксируются мелкие поры, равномерно распределенные по сечению наплавки (рис.2, г). В данном случае стадия пассивной дегазации закончилась, а стадия активной дегазации только началась. Таковы особенности дегазации сварочной ванны при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой.

Би6лио;'.рафинеский список

.). Ъ'сии В.Я. Геачиц ЯЯ.Повышсние плотности металла шва при наплавке алюминиевых сплавов порошковой проволокой// Автом. сварка,- [991.- № 5. - (.'.49-50. 2. Нохопнн И К Газы в сварных швах.- М.: Машиностроение, 1972.- С,58 -62. 5. Металлургия сварки титана И его сплавов/ Под ред. Н.Н.Замкоча,- М.: Металлурги, 1986.- 240 с.

4. МтЮольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Перевод с англ. М.: Металлургия, 1979. - 520 с.