Пацкевич Иван Романович
Рябов Владимир Рафаилович
Деев Герман Фёдорович
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
ПРИ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ
*** 1991 ***
|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) В результате использования флюсов при аргонодуговой сварке корень шва сварного соединения отличается плавностью перехода от -основного металла к проплавленному. Данный эффект позволяет повысить усталостную прочность сварных соединений в результате снижения концентрации напряжений в зоне линии сплавления.
Критерием для оценки конфигурации перехода от проплавленного металла к основному служит коэффициент проплавления Кпр = b!h, где b — ширина проплавления, мм; h — высота провисания сварного шва, мм. Вероятно, что повышение величины поверхностного натяжения флюсовых композиций способствует улучшению формирования проплавления сварного шва, которое ха; а т-ризу.т я плавностью перехода от основного металла к наплавленному и высоким значением коэффициента проплавления. Флюсам принадлежит также большая роль в образовании надежного физического контакта между алюминием и сталью при сварке. Специальные флюсы для сварки алюминия со сталью не разработаны. Для этой цели используются флюсы, применяемые для сварки алюминия, алитирования стальных изделий и биметаллического литья. Основные требования к флюсам: обеспечение хорошей смачиваемости поверхности стали в течение сравнительно непродолжительного времени сварки; изменение межфазной свободной энергии на границах сталь — флюс и алюминий — флюс таким образом, чтобы возрастали величины cos 6 и До; обладание травящими свойствами; растекание, адсорбирование или разрушение пленки оксида алюминия. Помимо этих основных технологических требований к флюсам последние должны в расплавленном состоянии иметь плотность меньше плотности жидкого металла, обеспечивать устойчивое г рение дуги, хорошее формирование шва и высокие механические свойства сварных соединений, не давать пор и грещин в шве, температура затвердевания их должна быть ниже температуры затвердевания металла шва. Улучшение смачиваемости приводит также к увеличению адгезии на границе свариваемых металлов, т. е. к возрастанию прочности свариваемого соединения. Однако применительно к системе А1 — Fe -одного улучшения смачивания обычно недостаточно из-за возможности образования интерметаллидов. Поэтому специфическим требованием к флюсам при сварке стали с алюминием является содержание компонентов (добавок), которые, осаждаясь в процессе сварки на поверхности стальной детали, ускоряют растекание алюминия и препятствуют образованию интерметаллических соединений. Наиболее широкое применение в качестве флюсов нашли различные композиции хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов, а также фторида алюминия. При этом фториды разрушают и растворяют оксид алюминия, а хлориды лучше смачивают поверхность металлов. Термохимические оценки подтверждают высокую реакционную способность фторидов щелочных металлов с алюминием и его сплавами по сравнению с хлоридами при 1273 К- S,cm Для автоматической сварки алюминия и не содержащих магния алюминиевых сплавов предложен флюс АН-А1. По устойчивости горения дуги, формированию, плотности, механическим свойствам и коррозионной стойкости шва лучшими являются флюсы, содержащие 20 — ДО % NaCl, 30 % Na3AlFe (криолит), остальное — КС1. Учитывая степень увлажняемости флюса, целесообразно применять минимальное количество хлористого натрия 244. В соответствии со сказанным выше о влиянии флюса на величину межфазных свободных энергий сг,к, а также в связи с широким применением в качестве флюсов различных хлоридов и фторидов, определялась величина сгж-г по границе алюминия с криолитными и криолитоглиноземными расплавами различной концентрации и с примесями различных хлоридов и фторидов. Применение в качестве флюсов солевых расплавов удобно тем, что они, об ладая малым поверхностным натяжением хорошо смачивают поверхность металлов Основу большинства флюсов составляют хлористые соли Na, К, Li, Са, ZnC2, а также соединения фтора: NaF, AI2F4,LiF. В работе 257 приведены данные по смачиванию алюминием стали и чугуна при различных составах флюсов: на основе хлоридов натрия и калия и на основе хлоридов цинка. На рис. 85 кривые 1, 3, 4 соответствуют добавкам NaF, Рис. 85. Зависимость растекаш я алюминия по стали от различных добавок к смеси хлоридов натрия и калия. Na3AlF6 и KF в случаях, когда основой флюса является смесь NaCl и КС1, кривая 2 соответствует добавкам KF и Zr.Cl2. Как видно из рис. 85, присадка фтористых солей резко улучшает растекание алюминия по стали. При этом наиболее эффективны в смеси хлоридов натрия и калия добавки 15 — 18 % криолита (кривая.?) и KF (кривая 4). Недостатками флюсов KF являются их большие текучесть и гигроскопичность. Флюсы с криолитом более удобны в работе, они обладают высокой реакционной способностью в отношении А1203, малогигроскопичны, достаточно тугоплавки и практически не газотворны. Офлюсование в указанных флюсах улучшает алитирование стали в процессе сварки. Из рассмотренных в работе 257 флюсов для улучшения качества алитирования авторы рекомендуют расплав из 41 — 45 % NaCl, 41 — 45 % КС1 и 10 — 18 % Na3AlFb; водный раствор на основе ZnCl2, с присадкой 30 — 40 % KF и расплав 28,0 % ZnCl2 — 28,6 % NaCl — 28,6 % КС1 — 2,2 % NH4C1 — 12 % NaaAlFfi. В ряде случаев в состав флюса, а также в алюминиевый сплав специально вводят элементы, улучшающие смачивание. Так, для снижения температуры плавления иногда вводят до 6 % LiCl или до 34 % ZnCl2. Для флюсования применяют также расплавы фтористых солей циркония (ZrF2, K,ZrFe) и титана (TiF,, K,TiFe) либо пересы-тценные водные растворы фтор цирконага калия KZrF6. 3. Изменение поляризации и градиента температуры В гл. I изучены вопросы влияния поляризации на границе металл — шлак для случая сварки сталей. Рассмотрим влияние поляризации применительно к взаимодействию алюмокремниевого сплава А15 (5 % (по массе) Si) со сталью ВНС-9 (X18Н15Н5АМЗ), что имеет место, например, при сварке композиционного материала КАС-1А. Известно, что при изотермическом растекании жидкости по поверхности твердого тела из неограниченного источника имеет место кинетической закон Ьж = АДат, где Лж — перемещение жидкости; А — кинетический коэффициент; Дт — движущая сила растекания, До = Кш(от-ж — 7Т г) — тж — г, где Кш — коэффициент шероховатости, равный отношению площадей истинной поверхности тела к идеально гладкой; ain — удельная свободная межфазная энергия на границе между г-й и п-й фазами. Изменяя величину электрохимической поляризации, можно так повлиять на огж и ожГ, что «скорость растекания» И1Н = А Да возрастет в десятки раз. Методика исследований такого рода и полученные результаты для различных металлических систем приведены в работах 30 — 34. Второй фактор, который может ускорить растекание в исследуемой системе, — градиент температуры. Растекание жидкости по поверхности при наличии вдоль нее градиента температуры в монографии 30 получило название терморастекание. Показано 30, 35, 36, что при терморастекании жидкости, химически взаимодействующей с подложкой, можно влиять на скорость растекания, изменяя градиент температуры вдоль подложки. Если, например, энергия смещения AU компонентов системы твердая подложка — жидкое покрытие отрицательна, т. е. если образование сплавов в этой системе происходит с выделением тепла, то растекание ускоряется от холодного конца подложки к горячему: AU = U12 — (Un + Н22)2, где Ulu U22, U12 — энергии парных взаимодействий атомов компонентов подложки (1) и покрытия (2). Так, например, в системеСй — Hg, характеризующейся отрицательной энергией смещения, ртуть гораздо быстрее растекается от холодного конца подложки к горячему, чем в противоположном направлении или при изотермическом растекании 35, 36. Основой подложки в нашем случае является железо, а покрытия — алюминий. Известно, что система Fe — А1 характеризуется значительной отрицательной энергией смещения. Так, по данным 3491, при сплавлении AI с Fe в пределах концентрации 30 — 75 % (ат.) выделяется теплота 15,9 — 28,4 кДжмоль. Поэтому можно было ожидать, что при осуществлении терморастекания сплава АК-5 по стали ВНС-9 оно также будет ускоряться от холодного конца подложки к горячему. Для изучения раздельного и совместного влияния электрохимической поляризации и градиента температуры на растекание применили следующую методику 50. Были изготовлены три специальные электрические печи. В двух из них осуществлялась неравномерная намотка нагревательной нихромовой спирали, что позволила создать в их рабоче части градиенты температуры, примерно равные 0,5 и 0,9 °Смм (температуры в печи повышались снизу вверх). Третья печь (с равномерной намоткой спирали) позволяла проводить опыты по изотермическому растеканию. Для изотермических экспериментальных исследований использовалась установка, схема и описание которой даны в работах 30, 33. Для измерения электрического потенциала применен свинцовый электрод сравнения (РЬРЬС12). В качестве флюса использовался расплав хлоридов КС1 + NaCl экви- См молярного состава с добавкой 5 % Рис. 86. Зависимость скорости растекания алюминиевого сплава по коррозионно-стойкой стали от потенциала при изотермических выдержках (а) и различных градиентах температуры (б). при различных температурах расплава АК-5 по следующей методике. Вначале образец стали ВНС-9 в виде проволоки погружался в расплав солей на 3 — 5 мин и анодно поляризовался током 5 А. Затем он опускался в расплав АК-5 на время т = 2...5 мин, в течение которого к образцу прикладывали потенциал р (в каждом опыте различный по величине). После того как образец вынимался и охлаждался, измеряли длину части образца, покрытой алюминиевым сплавом при растекании. Затем эта часть образца отрезалась, после чего эксперимент повторялся в той же последовательности при новом значении потенциала. Полученные экспериментальные данные для растекания сплава АК-5 по стали ВНС-9 при различных потенциалах в расплаве KCI + NaCl + + 5 % РЬС12 при 10731003, и 973 К представлены в виде зависимостей bPlt = С(ф) на рис. 86. Из кривой 1 приТ = 973 К видно, что растекание алюминиевого сплава имеет место лишь при анодной поляризации и характеризуется малыми скоростями при больших (около 8 А) токах в измерительной ячейке. В связи с этим очевидно, что температура расплава АК-6 должна быть более высокой. Действительно, при Т = 1003 К (кривая 2) наблюдаются смачивание и растекание алюминиевого сплава по нержавеющей стали как при анодной, так и при катодной поляризациях. Скорость растекания резко увеличивается, если повысить температуру расплава до 1073 К (кривая ?). Следует отметить, что при собственном потенциале срс стали ВНС-9 в расплаве АК-5, который для 973, 1003 и 1073 К составлял соответственно — 1,57, — 1,54 и — 0,88 В, скорости растекания сравнительно невелики: при повышении температуры до 1073 К значение фс сдвинулось на 0,66 В в анодную сторону по сравнению с его значением приТ = 1003 К, что, вероятно, и привело к сдвигу максимума кривой 3 по сравнению с кривой 2 примерно на 0,4 В в ту же сторону. Кроме того, повышение температуры расплава АК-5 до 1073 Кприво-дит к разупрочнению подложки — высокопрочной стали ВНС-9, поэтому представляло интерес попытаться увеличить скорость растекания при температурах ниже 1073 К, подключив в качестве дополнительного действующего фактора градиент температуры вдоль образца. Эксперименты проводились аналогично предыдущим, при двух значениях градиента температуры — 0,5 и 0,9 Кмм, температура расплава АК-5 при этом составляла 1003 К и возрастала в направлении растекания. Собственный потенциал стали ВНС-9 в расплаве АК-5 при этом был равен соответственно — 1,4 и — 0,8 В. Результаты исследований представлены на графиках Hlt — G (q) на рис. 86, б. Видно, что форма зависимости G (ф) во всех трех случаях практически одинакова. Сдвигаются лишь максимумы кривых, что, как указывалось выше, объясняется относительным сдвигом собственного потенциала. Кроме того, скорости растекания сплава АК-5 по стали ВНС-9 в расплаве с градиентом температуры оказались гораздо выше, чем при изотермическом растекании. Это легко видеть при сравнении скорости растекания в характерных точках кривых С(ф): при собственном потенциале фс стали ВНС-9, погруженной в жидкий сплав АК-5 в расплаве солей; при потенциале, соответствущем максимуму кривой фтах (табл. 13). Как видно из табл. 13, при потенциалах фпи и фс скорость растекания сплава АК-5 по стали ВНС-9 при grad Т = 0,9 Кмм увеличивает скорость соответственно в 6 и 8 раз по сравнению с изотермическим растеканием. Может возникнуть вопрос, не связано ли наблюдаемое увеличение скорости растекания с тем, что при наличии градиента температуры вдоль образца сплав АК-5 растекается при все более высокой температуре и что, следовательно, большая скорость растекания обусловлена не наличием градиента температуры, а просто повышенной температурой. Легко видеть, что основную роль в эффекте увеличения скорости растекания играет не повышающаяся температура,, а наличие градиента температуры. Действительно, за время растекания 300 с высота подъема составляла h2 = 55 мм, на этой высоте на образце температура была равна 1053 К. Вместе с тем при Т — = 1073 К при наиболее благоприятном потенциале ф = — 0,5 В (см. рис. 86, а) эффективная скорость растекания составляла Gmax = = 15,4 мм2с, тогда как при наличии градиента температуры 9 Ксм-Gmax = 24,3 мм2с (рис. 86, б, кривая 3), т. е. наибольшая скорость растекания при наличии градиента температуры в интервале 1003 — 1053 К в 1,6 раза превосходит наибольшую скорость изотермического растекания при более высокой температуре (Т = 1073 К), что подтверждает самостоятельную роль градиента температуры, ускоряющего растекание жидкого металла по твердому в рассматриваемой системе. Таким образом, для высокотемпературной системы Fe — А1 показано наличие термопотока смещения, направленного в сторону повышающейся температуры, обусловленного отрицательной величиной энергии смещения в этой системе. Совместное использование двух важных факторов — электрохимической поляризации и градиента температуры — дает возможность интенсифицировать соединение композитного материала, а также значительно снизить температуру процесса, что способствует сохранению прочности и других свойств стали ВНС-9 при гарантированно быстром и надежном смачивании ее алюминиевым сплавом АК-5. Приведем другой пример влияния внешних воздействий на смачиваемость и растекание — влияние электрического тока на растекание сплавов меди по чугуну 289. При получении биметаллических изделий наплавкой стремятся обеспечить минимальное расплавление основного металла, улучшить смачиваемость и растекаемость наплавляемого. Применительно к системе чугун — сплав на основе меди эти условия обеспечить трудно, так как разница температур плавления соединяемых материалов составляет 100 — 250 К- В условиях использования дуговых источников теплоты возможны подплавление поверхности и переход основного металла (чугуна) в расплав. Кроме того, растекаемость жидкого расплава по поверхности чугуна ограничивается наличием графитной фазы и ее состоянием. Распространенным способом улучшения растекаемости припоя по поверхности чугуна является использование флюсов. Известно, что действие поверхностно-активных добавок можно повысить пропусканием электрического тока через контакт. Электрический ток ускоряет переход положительных иояоз щелочноземельных металлов из флюса в припой, повышая самофлю-сующие свойства последнего, сокращая время лужения 301. Кроме того, отрицательный потенциал, прикладываемый к расплавленному припою, препятствует растворению основного металла в расплаве. Поэтому важно определить роль электрического тока в улучшении процессов растекания и структурообразования при дуговой наплавке медного сплава на детали из серого чугуна. Традиционными методами исследования процессов взаимодействия твердофазного металла с жидким не предусмотрена возможность пропускания электрического тока через контактирующие фазы. В связи с этим использована методика, основанная на погружении твердофазного материала в расплав, позволяющая пропускать электрический ток через контактирующие фазы. Образец из чугуна СЧ-20 изготовлен со сферической поверхностью, площадь погружаемой части составляет 260 мм2. При его погружении предусмотрена возможность пропускания электрического тока различных плотности и полярности. Особенности строения поверхности чугуна не позволяют использовать общепринятый критерий взаимодействия — краевой угол смачивания. На поверхности чугуна имеются металлическая матрица и графитная фаза, которые обладают разной прочностью сцепления к сплавам меди. Графитные включения образуют острые ребра твердого тела, которые являются энергетическим барьером для растекающейся жидкости. Поэтому использован интегральный критерий — площадь растекания жидкого расплава по поверхности твердофазного образца. Процессы взаимодействия изучали в присутствии активной (флюс АН-ШТ-2) и нейтральной (аргон) среды с погружением серого чугуна в расплав латуни Л-63, а также бронз БрАМц9-2 и БрКМцЗ-1. Применительно к латуни полное растекание по погружаемой по- верхности чугуна наступает при использовании флюса и перегреве расплава латуни до 1390 К- Время начала взаимодействия составляет тЕ а 3 с, окончания — тк » 12 с (рис. 87, а, кривая 1). Пропускание тока плотностью 0,5 — 0,7 Амм2 практически не повлияло на увеличение максимальной температуры в зоне контакта, но улучшило растекаемость расплава (кривая 2). При плотности тока 1,5 — 1,8 Амм2 увеличилась максимальная температура в зоне контакта и даже наблюдалось растворение чугуна. На рис. 87, б представлен график изменения площади растекаемости расплава латуни Л-63 по поверхности образца из серого чугуна в зависимости от максимальной температуры в зоне контакта. Температуру измеряли в центральной части образца, однако место наличия смачиваемости не всегда совпадало с расположением термопары, что вызывало большой разброс экспериментальных данных. Эксперименты позволили вывить общую тенденцию положительного влияния тока в зоне контакта, обеспечивающего лучшую растекаемость при меньшей максимальной температуре (кривая 2). |
