Глава 2. Взаимодействие металла с азотом

0,4 0,8 1,2 1,6 Массовая доля [Ї и ЛІ, %

Рис. 2.75. Зависимость массовой доли азота от массовой доли титана (Г) и алюминия (2) в металле шва [105]

Массовая доля [N1,%Наличие большого количест-

0.061;I ва нитридов титана и алюминия

приводит к повышению прочности и снижению пластичности металла швов.

Получить необходимые механические свойства металла шва достаточно сложно. Рассмотрим пути повышения эффективности защиты металла ог азота при сварке порошковой проволокой со свободным и принудительным формированием металла шва.

Процессы газообразования при сварке порошковой проволокой. В процессе сварки порошковая проволока проходит стадии нагрева и плавления, которые сопровождаются диссоциацией и деструкцией компонентов сердечника, термическим разложением компонентов сердечника проволоки. Степень развития этих процессов в сердечнике оказывает существенное влияние на абсорбцию азота и эффективность защиты расплавленного металла от воздуха.

Нагрев оболочки порошковой проволоки при сварке происходит преимущественно за счет тепла, выделяющегося при прохождении сварочного тока, и тепла, выделяющегося в активном пятне. При этом на вылете проволоки (на участке проволоки от среза наконечника токоподводяшего мундштука до дуги) устанавливается квазистационарное температурное поле.

Расчеты, проведенные в [106], показывают, что в процессе сварки оболочка порошковых проволок на вылете может нагреваться до температур порядка 1000 °С. Сердечник проволоки нагревается в основном за счет теплопередачи от дуги и оболочки. При высоких скоростях подачи проволоки тепло, передаваемое торцу проволоки от дуги, распространяется в сердечнике на меньшую длину, чем в оболочке, так как теплопроводность сердечника на 1.2 порядка меньше теплопроводности оболочки.

Сердечник можно представить в виде цилиндра бесконечной длины, нагреваемого с поверхности. Из теории переноса тепла применительно к дисперсным материалам и капиллярно-пористым телам следует, что для определенной температуры Т в дан-

ной точке цилиндра в момент времени т требуется решить дифференциальное уравнение

дТ _ X 5т ~ Су

дГ г дг

где — температуропроводность; г — текущий радиус цилин-

дра радиусом Я.

Решение уравнения может быть записано в виде ряда

ехр

Тп-Ти - Яи а,/,М)

где 7*п — температура поверхности; 7^, — начальная температура тела цилиндра; У0 и У, — функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка; а, — 1-й корень уравнения /0(а,-Я) = 0.

Если считать, что в реакционной зоне все тепло расходуется на компенсацию эндотермического эффекта реакции, то можно оценить время диссоциации карбоната 1107]. В результате преобразования уравнения, выведенного в [108], получено выражение

где тл — время диссоциации; О,— тепловой эффект реакции, отнесенный к единице массы карбоната, участвующего в реакции; X — коэффициент теплопроводности твердого продукта разложения; у — удельный вес; Ти и Тр- температуры поверхности и реакционной зоны соответственно; А — коэффициент, зависящий от размеров образца и степени диссоциации.

Использование уравнения (2.81) для расчетов степени развития реакций газообразования в сердечнике порошковой проволоки затруднено наличием в нем коэффициента, который определяется степенью развития самой реакции. Поэтому необходимо с помощью экспериментов и моделирования выявить физико-химические явления, ограничивающие возможный диапазон изменения параметров.

Для изучения кинетики реакций использовали метод термического анализа и моделирование. При комплексном термиче-