Разработка теоретических основ формирования обратной стороны шва с учетом физико-химических процессов в сварочной ванне и создание новых сварочных материалов для односторонней дуговой сварки сталей плавящимся электродом (18.01.2010)

Автор: Доронин Юрий Викторович

В свою очередь, использование в качестве формирующих материалов неорганических стекловолокон, технология производства которых устраняет насыщение влагой и построена на использовании свободных от промежуточных и нестабильных в условиях высоких температур соединений, окислов устраняет появление указанных дефектов.

1 - расплав №1 (SiO2-TiO2-Al2O3); 2 - расплав флюса АН-28; 3 - расплав флюса АН-18; 4 - расплав флюса АНФ-14; 5 - расплав флюса АН-60; 6 - расплав шлака № 3 (SiO2-TiO2-MgO); 7 - расплав шлака SJ-1; 8 - расплав шлака SJ-2;

9- расплав флюса 348А; 10 - расплав флюса ОСЦ- 45.

Рис.8. Вязкость шлаковых расплавов формирующих подкладных устройств

и сварочных флюсов

В зоне кластеров окислы группируются в сложные комплексы, характерные относительно стабильными физическими и физико-химическими свойствами. В разупорядоченной зоне данные свойства нестабильны. Таким образом, квазиполикристаллическая модель, в целом, поясняет структуру и свойства пограничного слоя шлакового расплава, объясняет возможность стабилизации поверхностных свойств, предлагает направления и требования к системам сварочных материалов

для формирования корня шва при односторонней сварке плавящимся электродом. Применительно к поверхностным свойствам их можно сформулировать следующим образом: (рис.8).

- преобладающей в структуре шлакового расплава должна быть зона сиботаксисов (кластеров);

- для «кластеризации» расслаивающегося шлакового слоя и минимизации газовых примесей в расплаве, рекомендуется использование стабилизирущих

кластерообразование и поверхностные свойства окислов: SiO2, B2O3, Al2O3;

- наиболее предпочтительной формой в твердом состоянии для создания сварочного материала являются стеклянные волокна. Наибольшее влияние на стабильность поверхностных свойств оказывает двуокись кремния. В расплавленном состоянии SiO2 при температуре 1500-1700?С обладает аномальным эффектом. При росте температуры поверхностное натяжение этого окисла не снижается, а даже несколько растет. Это связано с особенностями строения структуры SiO2, представляющей собой цепь неорганических полимеров.

Аналогично поверхностным свойствам, вязкость шлакового расплава оказывает не менее важное влияние на форму обратного валика и возникновение дефектов корня шва. Расчетное определение вязкости пограничного слоя показало, что для предотвращения захвата шлаковых частиц жидким металлом и стабилизации обратного валика по высоте необходимо иметь вязкость шлакового расплава в пределах 2…5 Па?с. Для понимания меры влияния динамической вязкости на благоприятную форму обратной стороны шва, классического определения вязкости как свойства жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой, недостаточно. На микроуровне легкость перехода частицы из одного положения в другое в процессе течения, связано с величиной энергетического барьера (Е?), который приходится преодолевать движущейся частице размером «r» на расстоянии «d» между ее положениями равновесия.

Как и в случае с поверхностными свойствами шлаковых расплавов рассмотрим структурную составляющую шлакового расплава с точки зрения вязкости и обоснования вязкого течения в пограничном слое с точки зрения квазиполикристаллической модели. Поскольку процессы вязкого течения локализуются в разупорядоченной зоне из-за большого количества горофильных примесей (гидроксилов и газов), то данный механизм имеет место лишь при небольших перегревах выше линии ликвидуса (как в нашем случае), когда большую часть шлака (расплава) составляют кластеры. А наиболее термически устойчивыми кластерообразователями являются алюмосиликаты и боросиликаты.

Исходя из вышеуказанных рассуждений, кластерная модель с точки зрения вязкого течения представляет собой следующую картину (рис.10 ). Активация вязкого течения определяется силами связи внутри окислов между металлом и кислородом, в отличие от поверхностных процессов, где изменение поверхностных свойств происходит из-за расслоения между окислами расплава на молекулярном уровне.

Анализируя общие положения квазиполикристаллической модели как одного из вариантов развития представлений о микрогетерогенности расплавов применительно к поверхностным процессам и процессам вязкого течения,

происходящим на границе металл-шлак при односторонней сварке, можно сделать следующие выводы:

1- зона кластеров; 2 -разупорядоченная зона ; 3- зона расплавленного металла.

Рис. 9. Кластерная модель и ее влияние на поверхностные свойства шлаковых расплавов

- при температуре взаимодействия в диапазоне 1550-1650?С окисный расплав шлаковой ванны состоит из кластеров и разупорядоченной зоны;

- кластеры окисного расплава представляют собой зону комплексных соединений, состоящую из силикатов различного состава;

- разупорядоченная зона представляет собой локальную область из одноатомных ионов, расположенных в зоне расслоения пограничных с жидким металлом сварочной ванны слоев;

- на основании ионной теории расплавов пограничный слой сварочной ванны подвержен расслоению и представляет собой микронеоднородные слои с различными поверхностными и вязкими свойствами.

В системах МеО-SiO2 установлен эффект макрорасслоения при определенном содержании SiO2, что является переходом от микронеоднородности к макронеоднородности;

- при росте в составе системы SiO2-B2O3-Al2O3 окислов кремния более 50% происходит стабилизация химического состава слоев близких к пограничному слою с образованием кристаллических групп, состоящих из тридимита и кристобалита;

- исследование политерм вязкости шлаковых расплавов показало, что кластеризация пограничного слоя с минимальным содержанием горофильных примесей (гидроксилов и кислородсодержащих газов) может быть обеспечена при наличии в составе шлаковой системы стеклообразных силикатов;

- наличие в пограничном слое большого объема разупорядоченной зоны одноатомных ионов, локализующего вязкое течение и поверхностные эффекты на отдельных участках приводит к дестабилизации структурно чувствительных свойств расплава и, в конечном счете, влияет на газонасыщенность и стабильность формы обратного валика шва;

- объем горофильных примесей (гидроксилов и кислородосодержащих газов), дестабилизирующих структурно чувствительные свойства шлакового расплава минимизируется при использовании в составе шлаковой системы силикатов, боратов и других стеклообразующих примесей.

При односторонней сварке, где отсутствует информация о полновесном прохождении металлургических реакций в корне шва и влияние высокой химической активности на механические свойства корня шва не доказаны, необходимо

сделать оптимальный выбор, как шлаковой системы подложки, так и соотнесенную с ней шлаковую систему верхнего флюса, покрытия или шихты. Учитывая скоротечность взаимодействия металлической и шлаковой фазы в корне шва и отсутствие влияния флюса на стадии капли, следует сделать вывод, что при высокой химической активности корневой шлаковой системы, верхний флюс должен быть малоактивным при сохранении стандартных сварочно-технологических свойств шва в процессе сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Таким образом, наиболее предпочтительной стекловолоконной шлаковой системой будет состав, где содержание SiO2 не превысит 50…55 %. При этом, шлаковый расплав с учетом кластерной модели сохранит стабильные поверхностные свойства и высокую вязкость для диссипации гидродинамических процессов. С точки зрения верхней шлаковой системы, предпочтительна минимизация активных (кислых) окислов с сохранением необходимых сварочно-технологических свойств по формированию и нейтральности по отношению к составу корневой шлаковой системы.

В связи с этим, наличие в составе шлакового расплава, обеспечивающего стабильные формирующие свойства с минимальным содержанием горофильных примесей и значительного количества силикатов (более 50 %), приведет к появлению металлургического взаимодействия на границе металл сварочной ванны - шлак. Это приведет к проявлению кремневосстановительных процессов и термодинамической активности отдельных, входящих в расплав окислов.

Важно также знать поведение отдельных окислов в системах и их активность в процессе использования в сварочных материалах, с целью прогнозирования их влияния на свойства шлакового расплава при односторонней сварке.

Для шлаковых систем, в составе которых двуокись кремния составляет не менее 50 %, важен вывод о том, что химическая активность флюса по кремнию

зависит одновременно и от концентрации кремнезема в шлаке и от основности флюса-шлака:

= (SiO2)ф /100В,

где: (SiO2)ф - содержание кремнезема в шлаковой системе, % по массе;

В - основность флюса,

Рис. 10. Кластерная модель и механизм вязкого течения. 1-упорядоченная зона;

2-разупорядоченная зона

В четвертой главе исследуется возможность серийного производства формирующих обратную сторону шва материалов для односторонней сварки листовых металлоконструкций и трубопроводов. На основании общей конструктивной схемы переносных подкладных устройств была разработана технология производства расплавляемых керамических подкладок. Для разработки составов и конструкций гибких подкладных лент были использованы рекомендованные в исследованиях 3 главы стекловолоконные материалы. Мировое производство стекловолокон базируется на использовании марок А, Е, С с широким диапазоном представленных в составах окислов. Синтез необходимого состава был выполнен с учетом квазиполикристаллической модели растворов и преимущественном характере кластерообразующих элементов. В результате были получены два состава следующего содержания:


загрузка...