Моделирование диффузионных процессов при сварке

  • определение концентрации химических элементов у границы сплавления;
  • определение кинетики выделения водорода из сварного соединения.

Локальные свойства различных зон сварного соединения зависят от распределения химического состава и микроструктуры. Микроструктура металла шва связана с морфологией затвердевания, которая определяется состоянием зоны переохлажденного жидкого металла (распределением примеси и температуры) перед фронтом затвердевания. Условия перемешивания основного и наплавленного металла в сварочной ванне в целом хорошие, и это приводит к хорошему усреднению состава жидкого металла за время существования сварочной ванны. Поэтому средние части объема металла по своему химическому составу достаточно равномерны даже в тех случаях, когда основной и наплавляемый металлы имеют весьма различные составы. Однако вблизи границы сплавления, где скорость плавления и кристаллизации замедлены, перемешивание основного и наплавленного металла полностью происходить не успевает, что приводит к формированию химической неоднородности. Неоднородность распределения ликвирующих примесей (серы и углерода) оказывает значительное влияние на сопротивляемость стали образованию горячих трещин.

Цель работы — исследование влияния основных факторов на макросегрегацию (распределение ликвирующих химических элементов вдоль направления затвердевания) с учетом основных факторов (формы и размеров сварочной ванны, плавления и затвердевания металла, температурной зависимости его растворимости и коэффициента диффузии, наличия гидродинамически неперемешивающегося жидкого граничного слоя на фронте затвердевания).

Распределение серы после сварки

Водород является одним из основных факторов образования холодных трещин при сварке стали. Источником водорода при ручной дуговой сварке покрытыми электродами являются покрытие и стержень электрода, окружающий воздух, основной металл и загрязнения его поверхности.

Практически используются два метода сбора и измерения диффузионного водорода:

1. Водород в виде пузырьков проходит через слой жидкости (спирт, глицерин, масло), собирается и измеряется в колбе.

2. Водород собирается в предварительно вакуумированном пространстве известного объема, где определяется его количество либо измерением давления (вакуумный метод), либо анализом состава газа (хроматографический метод).

Практическим недостатком первого метода является большой разброс результатов (до 50 %) из-за высокой растворимости водорода в жидкости и чувствительности метода к физическим свойствам жидкости. Общим недостатком является неучет водорода, выделившегося из образца в промежуток времени от начала сварки до начала регистрации выделения водорода. Эта доля водорода непостоянна и зависит от сварочных материалов, условий сварки и времени последующей подготовки образца. Оценка этой доли представляет практический интерес. Например, при решении краевой задачи массопереноса в реальном сварном соединении необходимо знать начальное количество водорода, вводимого в жидкий металл ванны.

Вакуумный метод относительно прост и технически надежен. Недостаток — длительность испытания (5 суток). Возникает вопрос: можно ли по начальному участку кривой выделения водорода из образца предсказать величину полного (предельного) объема диффузионного водорода? Положительной ответ позволил бы сократить время эксперимента и определить количество водорода, поступающего в сварное соединение.

Цель работы — разработать расчетную методику ускоренного определения концентрации диффузионного водорода в наплавленном металле с использованием ограниченного по времени эксперимента. Методика основывается на решении обратной задачи массопереноса, которая, в свою очередь, использует решение прямой задачи диффузии водорода.

Объем выделившегося водорода

Распределение концентрации химического элемента