Сварка порошковой проволокой - Фрумин И.И.
Скачать (прямая ссылка):
84
(fa = 0) возможно при значительно больших его первоначальных размерах и требует большей работы (см. формулу (46)). Величина зародыша зависит также от диффузионного потока газа из твердой фазы [91]. Очевидно, если газ будет диффундировать из твердого тела в жидкую фазу, вероятность зарождения пор значительно увеличится.
Оценка направления диффузионного потока водорода дана в работе [91] на основе решения уравнения диффузии для случая движения фронта кристаллов [69]. Установлено, что при непрерывном движении границы раздела фаз, связанном с кристаллизацией жидкой фазы, диффузионный поток газа в твердой фазе вблизи границы раздела всегда направлен в твердую фазу, т. е. эгот поток не оказывает благоприятного влияния на зарождение пузырьков, он скорее даже препятствует ему.
При неподвижной границе раздела фаз во время остановки направление потока практически определяется отношением концентрации газа в твердой фазе вблизи границы раздела U*T к средней концентрации газа в жидкой фазе UOM.
Если > К (где К — коэффициент р-чспределения), то днф-
^ОЖ
фузионный поток в твердой фазе у границы раздела направлен в сторону жидкой фазы. При < К направление потока противо-
^ОЖ
положно. Практически почти всегда имеет место отношение > К [91].
^ОЖ
Таким образом, поверхность растущих кристаллов в момент остановки кристаллизации является одним из наиболее благоприятных участков для возможного зарождения пузырьков водорода и азота при соответствующей величине Иож.
Рост пузырька. Если допустить, что в начальный период роста газового пузырька перенасыщение окружающей среды остается постоянным и не учитывать изменения давления в растущем пузырьке, то приток газа к сферической оболочке (для простоты принято Fa = 0) из окружающей жидкости за время dx рассчитывается по формуле [155]
dQ = 4nR2D-^dx. (51)
И
Увеличение объема пузырька за элементарный период времени роста dx
dV = 4 (R3) = 4 nR2dR. (52)
Соответствующее количество газа, появляющееся в пузырьке,
dQ = dVUr , (53)
где Ur — количество газа в пузырьке в единице объема последнего.
85
Сравнивая (51) и (53), получаем выражение для скорости роста пузырька
dR р. Аиж /кл\
1н=г>-Щн' (54)
из которого следует, что скорость изменяется пропорционально коэффициенту диффузии и уменьшается с увеличением радиуса пузырька.
Используя выражение (54), можно оценить время, за которое пузырек достигает размеров, характеризуемых величиной R
* (Я)
K2-*2min
2?>At/w
U Г.
(55)
Учитывая, что давление в порах не намного превышает 1 атм (измерения приведены А. П. Пальцевичем), значение Ur можно приближенно принять равным 1—2 см31см3.
Приняв Аиж = (10 ч- 30) слг3/100 г; ?>нж = 3,5 хЮ~3 см2/сек\ 0,ж = 4,5 хЮ~8 см21сек\ yFe = 7,0 г/см3 и R2 оценим время
т роста пузырька радиусом R (табл. 15).
Таблица 15
X, сёк при Н, см
Газ 0,01 0,02 0,05 0,10 0,15 0,2
И„ 0,04—0,007 0,16—0,27 1,0—0,17 4,72—0,68 9,2—1,53 16,4—2,72
N, 3,1—0,54 12,5-2,1 78—13,2
Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для образования газового пузырька, размеры которого соответствуют регистрируемым размерам макропор в металле сварного шва (более 1 мм), необходимо достаточно большое время, если подвод газа определяется только атомарной диффузией, что характерно для непере-мешивающегося слоя у границы раздела фаз. Это позволяет сделать вывод, что во время движения фр.;чта кристаллизации возникновение пузырька водорода маловероятно, поскольку скорость роста кристаллов обусловливается скоростью отвода тепла, которая по крайней мере на два порядка выше скорости диффузии водорода в жидком металле. Еще менее вероятно в этом случае образование пузырьков азота.
Более благоприятны условия для образования пор вблизи фронта кристаллизации во время остановки. Локальное пересыщение жидкого металла газом в узком неперемешивающемся слое и направление диффузионного потока газа в жидкую фазу способствуют образованию пор. Однако условия для роста здесь достаточно ограниченные, поскольку продолжительность остановки мала.
Период остановки роста кристаллов определяется временем отвода скрытой теплоты кристаллизации и теплоты перегрева, т. е. зависит от режима сварки и физических свойств металла шва. Для стали длительность остановки обычно не превышает 0,1—0,2 сек, что недостаточно для развития макропоры радиусом 0,5 мм и более вследствие атомарной диффузии азота в железе.
Следует учесть, что величина Шж, обусловленная локальным перенасыщением, в процессе роста пузырька газа резко уменьшается, так как толщина слоя с высоким перенасыщением у фронта
кристаллизации обычно весьма мала (имеет порядок где v —
мгновенная скорость кристаллизации; для водорода < 10-2 см,
а для азота <10~4слг, если v > 0,3 ч- 0,4 см/сек). Поэтому локальное перенасыщение жидкого металла газом у фронта кристаллизации обусловливает вероятность зарождения пузырьков с малой величиной Rmin, но не может способствовать их достаточному росту при незначительной средней концентрации газа в объеме жидкой ванны. Для развития зародыша в пузырек определенных размеров (R > 0,5 мм) — пору — необходим интенсивный подвод газа из жидкого металла главным образом путем конвективного массо-переноса из объема сварочной ванны, перенасыщенной газам*- вследствие уменьшения их растворимости при охлаждении металла.
