Глава пятая

УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ ПРИ СВАРКЕ

Закономерность распространения жидких металлов по твердой ^металлической поверхности свидетельствует о том, что основными .факторами, влияющими на этот процесс, являются соотношение между поверхностными энергиями твердого и жидкого металлов и на их меж-^фазной границе; микрорельеф твердой поверхности; характер среды, в которой находятся контактирующие металлы, температура; состояние поверхности твердого металла (наличие оксидных пленок и др.); структура приповерхностного слоя; растворимость жидкого металла в твердом; скорость объемной диффузии атомов расплава в твердый металл; физические свойства жидкости (плотность, вязкость и др.).

Общие закономерности вкратце описаны в гл. 1. Ниже рассмотрено .влияние ряда упомянутых факторов (химического состава расплавленного присадочного материала и твердой подложки, температуры, внешней среды, электрических и магнитных полей и др.) применительно к реальным промышленным объектам и технологиям, разработанным для различных сочетаний однородных, разнородных и композиционных материалов.

Следует отметить, что влияние различных факторов на смачиваемость, как правило, бывает комплексным, и выделить какое-то одно из них в чистом виде затруднительно. Например, в процессе сварки и наплавки легированная проволока применяется в сочетании с защитной гредой (аргоном, гелием, углекислым газом, флюсами); используются материалы различных толщин, изменяющие теплоотвод, и т. д.

1. Легирование

Наплавка меди и ее сплавов на сталь. Как указывалось, сведений о смачивании и растекании меди и ее сплавов, наплавленных дуговым способом на сталь, недостаточно. В одной из первых работ, посвященных смачиванию стали медью [325] при изготовлении ведущего пояска на орудийных снарядах, изучено 19 сплавов на основе Си. Такой поясок служит затвором для газов, обеспечивает центровку снаряда и его вращение, что необходимо для обеспечения точной траектории полета. Пояски из деформируемого медного сплава крепились путем обжатия и затем подвергались механической обработке до получения нужных размеров.

Разработан метод наплавки медного слоя, который затем обрабатывался до получения готового ведущего пояска. Имевшиеся присадочные материалы из меди и ее сплавов не подходили для наплавки узких поясков. Трудность заключалась в неудовлетворительном растекании сплавов, дававших избыточное количество наплавленного металла. В случае широких ведущих поясков наплавка проводилась при колебании электрода при сварке. На рис. 79 показано поперечное сечение готового пояска и наплавленного слоя. Здесь слой А представляет собой наплавку, получаемую по старому методу, а слой В — наплавку оптимальной конфигурации, так как в последнем случае расходуется меньше присадочной проволоки и необходима меньшая механическая обработка для получения конечного ведущего пояска. Очевидно, что слой В имеет меньший краевой угол смачивания.

Известно, что величину поверхностного натяжения сплава (смеси) определяет компонент с пониженной поверхностной свободной энергией: она вызывает снижение свободной поверхностной энергии всего сплава. Таким образом, в случае медных присадочных материалов, используемых для наплавки, легирующие добавки должны иметь более низкое поверхностное натяжение, чем Си. Установлено [3261, что между поверхностным натяжением и величиной, обратной атомному объему, существует достаточно хорошая корреляция, т. е. ио мере увеличения атомного объема снижается поверхностное натяжение При наплавке меди (атомный объем 7,09 см3/моль) в качестве легирующих элементов были выбраны: Мп (7,39!. Аё (10,28), Т1 (10,60). 51 (12,00), Бп (16,23) и Р (17,00). Наплавки осуществлялись на сталь следующего состава (по массе): С — 0,20 %, Мп — 0,46 %, Р - 0,020 %, Б — 0,032 %, Б1 — 0,05 %, № — 0,01 %, Си — 0,05 %, Сг — 0,02 °ь. V - 0,01 %, Мо — 0,01 %, А1 — 0,01 %. Исследования проводили путем моделирования процесса дуговой сварки в атмосфере Аг, Не и смеси Аг + 0,25 % 02. Равномерные симметричные наплавки получены в атмосфере Не. Расходуемые электроды представляли собой проволоки диаметром 3 мм. Дуга зажигалась при контакте электрода из меди или ее сплава со стальной пластиной, затем дуга гасла сама собой после выгорания электрода примерно на 7 мм. Благодаря этому количество наплавленного металла поддерживалось практически на постоянном уровне Все сплавы обеспечивали примерно одинаковую площадь смачивания (около 0,7 см2 при массе наплавки 0,6 г) на стальной пластине толщиной 6 мм. Площадь смачиваемой поверхности за-

Рис. 79. Поперечное сечение наплавленного медного слоя на стенку снаряда (а) и оптимальная его величина (б):

/ _ стенка снаряда; 2 — сечение ведущего пояска; 3 — электрод; 4 — наплавленный слой; 5 — слой а; б — слой Высечение ведущего пояска.