CC BY
72
Э. Р. Галимов, И. А. Абдуллин, А. В. Беляев, Л. В. Сироткина
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Ключевые слова: сплавы, сварка, процессы, структуры, свойства.
Проведен анализ процессов, протекающих в металлах сварных швов при сварке плавлением. Выявлены особенности физических, химических и металлургических процессов, оказывающих влияние на формирование структур и качество неразъемного соединения.
Keywords:alloys, welding processes, structures and properties.
There is analyzed of the processes occurring in the weld metal in fusion welding. The features of the physical, chemical and metallurgical processes that influence the formation of structures and quality permanent connection.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.791
Введение
В настоящее время сварка является одним из основных технологических процессов получения неразъемных соединений, характеризующихся непрерывностью структуры, во многих отраслях промышленности (авиа-, судо- и машиностроение, химическая, энергетика и др.). Физико-химические процессы, протекающие при сварке плавлением, имеют ряд особенностей по сравнению с литьем, термической обработкой, пайкой:
1. Условия и параметры окислительно-восстановительных реакций.
2. Действие высоких температур в зоне сварочной ванны.
3. Небольшой объем жидкого металла в сравнении с выплавкой металлов.
4. Кратковременность пребывания металла в расплавленном состоянии.
5. Отвод теплоты в окружающую ванну основной металл.
6. Интенсивное взаимодействие расплавленного металла с газами и шлаками в зоне нагрева.
Взаимодействие сварочной ванны с элементами окружающий среды носит непрерывный характер, который во многом определяется температурой расплава. В этом случае происходит окисление металла кислородом воздуха с образованием оксидов железа различного состава (РеО, Ре2Оз, Ре3О4). Присутствие некоторых примесей (серы, фосфора, водорода и др.) в железе и его сплавах приводят к ухудшению механических свойств и образованию сварочных дефектов (газовые поры, фло-кены, раковины, горячие и холодные трещины). Следует отметить, что отмеченные неблагоприятные воздействия элементов окружающей среды в настоящее время устраняются применением при сварке защитных газов (Аг, Не, СО2 и их смеси), электродных покрытий и порошковых проволок, флюсов, а также рядом практических приемов (прокалка электродов и флюсов, подготовка кромок, положительные температуры сварки). Следует отметить, что при сварке плавлением основной задачей является получение однородной структуры основного
металла, зоны термического влияния и сварочной ванны, а также схожих механических свойств этих участков с обеспечением равнопрочности сварной конструкции в целом[1] или с заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Экспериментальная часть
При сварке плавлением сварное соединение образуется в результате смачивания поверхностей тел расплавленным металлом, а активация твердого тела за счет передачи частицам ее поверхности тепловой энергии, образующейся при горении дуги. В процессе кристаллизации расплавленного металла непрочные адгезионные связи заменяются прочными металлическими и ковалентными, соответствующие типам кристаллической решетки (ОЦК, ГЦК, ГПУ) [2]. Зависимость состава сплавов от температуры отражается в диаграммах состояния, построенных по кривым охлаждения. Конкретный вид диаграммы плавкости зависит от свойств компонентов и определяется их взаимной растворимостью и способностью к образованию химических соединений. Исследования диаграмм состояния многокомпонентных систем позволяют судить об образовании новых фаз или химических соединений, устойчивости отдельных фаз, условиях возможного совместного существования фаз системы и др. [3]. Наибольший интерес среди различных диаграмм состояния представляют диаграммы зависимости свойств система от состава[4], например, по Н.С. Курнакову.
Отмечено, что при сварке происходят различные физико-химические процессы, которые определяют качество [5] и свойства сварных соединений. Состав и свойства сварного шва и зоны термического влияния зависят от теплового и химического воздействия на металл.
При дуговой сварке теплота расходуется на плавление основного и присадочного металлов, оплавление и нагрев стыка, а также необратимые потери. При этом допустимую длительность контакта фаз и оптимальную температуру сварки определяют расчетным или опытным путем. Концентрация энер-
гии источников для сварки плавлением оценивается плотностью энергии (таблица 1), которая ограничена значением 102 - 10ч Вт/мм2 из-за вероятных выплесков и испарения материала. Понятие температуры в лазерном и электронном лучах не характерно из-за направленного движения частиц.
Таблица 1 - Характеристики термических источников энергии, применяемых для сварки плавлением [2]
Источник Средняя температура, К Плотность энергии, Вт/мм2
Дуга в парах металлов 5250 101
Дуга в газах 12500 103
Электронный луч - 10'
Лазерный луч - 10°
Удельное объемное энергосодержание расплавленного металла при температуре его плавления определяется
ДН = р-(спл • Тпл + дплК (1)
где р - плотность металла, спл - удельная теплоемкость, Тпл - температура плавления, дпл - скрытая теплота плавления металла.
Удельная энергия, которая требуется для сварки плавлением определяется формулой:
£ = ДН • В, (2)
где В - ширина расплавленной зоны (шва).
Анализируя формулу (1) было установлено, что способы сварки плавлением более энергоемки по сравнению с другими способами сварки из-за больших расходов энергии, затрачиваемых на расплавление металлов (скрытая теплота плавления).
На рис. 1 представлены расчетные данные минимальной удельной энергии £ст для различных способов сварки сплава алюминия.
Рис. 1 - Значения удельной энергии для сварки алюминиевых сплавов: 1 - сварка плавлением; 2 - контактная сварка; 3 - сварка трением; 4 -холодная сварка; 5 - сварка взрывом
Следует отметить, что процессы кристаллизации сварочной ванны специфичны: начинаются от границы сплавления, образуются измененные по своим свойствам металла зоны термического влия-
ния. В процессе сварки происходит окисление металла не только кислородом, но и другими окислителями, например, галогенами, серой, водородом:
2Ме + 02 ^ 2МеО ; 2Ме + Р2 ^ 2МеР; Ме + Б ^ МеБ; 2Ме + Н2 ^ 2МеН
Обратные процессы восстановления металла определяются термодинамической устойчивостью АС образовавшихся продуктов реакций.
Кроме реакций окисления в сварочной ванне протекают реакции замещения между жидким шлаком и металлом, которые описываются следующими реакциями:
БЮ2 + 2Ре ^ 2Ре0 + Б1; МпО + Ре ^ РеО + Мп; Ре203 + 2А1 ^ А1203 + 2Ре ; 2Ре0 + Т1 ^ ТЮ2 + 2Ре
При высоких температурах протекают реакции восстановления кремния и марганца из шлака, т. е. в прямом направлении, а при понижении - химическое равновесие смещается в сторону исходных веществ (Мп и Б1 в шлак). Повышение температуры способствует увеличению скорости образования оксидов. Наибольшая скорость взаимодействия металла с окружающей средой наблюдается в высокотемпературной зоне сварки - в капле плавящегося металла на торце электрода или проволоке, дуговой или плазменный разряд, а также передней части ванны. Медленнее эти процессы протекают в хвостовой части ванны.
Раскисление металла в сварочной технологии применятся при использовании ряда методов (для металлов с низкой термодинамической устойчивостью): извлечение более активными металлами; восстановление металла газовой атмосферой; извлечение оксидов обработкой шлаками. В ряде случаев нужна полная защита соединений от окисляющей атмосферы (инертные газы, вакуумные камеры и т. д.).
Легирование металла сварочной ванны осуществляют введением в нее элементов, обладающих большим сродством к кислороду: марганец, кремний, титан, алюминий.Изменением составов электродного металла и покрытия возможно эффективное регулирование и обеспечение необходимой структуры с требуемыми свойствами.
Заключение
Таким образом, сварка является сложным физико-химическим процессом, зависящим от ряда факторов: температуры, защиты сварочной ванны, легировании металла шва, состава основных и присадочных материалов, которые необходимо учитывать для получения качественного сварного соединения. В процесс ее проведения протекают химические реакции окисления и восстановления, замещения. Сварочная технология имеет ряд особенностей, не характерных, например, для литья и термической обработки. Это малый объем сварочной ванны, вы-
сокие температуры, интенсивность протекающих процессов. Ввиду этого, требуется рациональный подход к разработке технологического процесса сварки, назначении режимов, основных и сварочных материалов, способов защиты и др.
Литература
1. Э.Р. Галимов, И.А. Абдуллин, А.В. Беляев, Л.В. Сирот-кина, Вестник Казанского технологического университета,,17, 23, 68-69 (2014).
2. В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров. Теория сварочных процессов. Высшая школа, Москва, 1988. 559 с.
3. Г.А. Голиков. Руководство по физической химии. Высшая школа, Москва, 1988. 383 с.
4. Ф.И. Муратаев, А.В. Горбунов, И.А. Абдуллин, М.А. Клабуков, Вестник Казанского технологического университета, 16, 2, 45-47 (2013).
5. Э.Р. Галимов, И.А. Абдуллин, А.В. Беляев, Л.В. Сирот-кина, Вестник Казанского технологического университета, 17, 17, 98-99 (2014).
© Э. Р. Галимов - д.т.н., проф., зав. каф. «Материаловедение, сварка и производственная безопасность» КНИТУ им. А.Н. Туполева, kstu-material@mail.ru; И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ТИПКМ КНИТУ, ilnur@kstu.ru; А. В. Беляев - к.т.н., доцент кафедры «Материаловедение, сварка и производственная безопасность» КНИТУ им. А.Н. Туполева, beljaev.a.v@gmail.com; Л. В. Сироткина - к.х.н., ст. преп. каф. «Химия» Казанского государственного энергетического университета, liliya_belyaeva@mail.ru
© E. R. Galimov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Materials Science, Welding and Safety» of Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev- KAI (KNRTU-KAI), kstu-material@mail.ru; 1 A. Abdullin -Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of «The technology products from the pyrotechnic and composition materials» Kazan National Research Technological University (KNRTU), ilnur@cnit.ksu.ras.ru; A. V. Belyaev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Materials Science, Welding and Safety» of Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI (KNRTU-KAI), kstu-material@mail.ru; L. V. Sirotkina - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of «Chemistry» of Kazan State Power Engineering University, liliya_belyaeva@mail.ru.
