Испарение металла при сварке

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.

Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.

Расчет процессов испарения металлов и сплавов при сварке При сварке испарение металлов и сплавов с поверхности электродного металла и сварочной ванны имеет большое значение. Газовая фаза зоны сварки разбавлена парами металлов, поэтому уменьшается парциальное давление таких газов, как О2, Н2, N2, и снижается их растворимость в жидких металлах. Создается само — защитная газовая атмосфера из паров свариваемого металла. Однако испарение приводит к потере отдельных компонентов свариваемого металла и сварочных материалов, а кипение жидкого металла сварочной ванны вызывает образование пор в металле шва. Испаряются даже неплавящиеся электроды.

Применив условия термодинамического равновесия, процесс испарения или сублимации можно представить как химическую реакцию перехода из жидкого или твердого состояния в газообразное:

[Ме]жТ±Мет (8.62) с константой равновесия этой реакции Кр — РМе (г) / [Ме]ж, рме (г) ~ Кр [Ме]ж. (8.63) где [Меж — молярная концентрация металла в жидкой фазе (для чистых металлов она равна единице, для сплавов — меньше единицы); РМе (г) ~ парциальное давление паров компонента Me сплава в газовой фазе (для чистых металлов р%е).

Для чистых металлов имеет место равенство Кр = р^Ме, используя которое, получаем из уравнения (8.46) следующую формулу для вычисления упругости паров чистого металла:

lgPA/e=-^!L = -^!L + ^eiL.

Как следует из формулы (8.64), с ростом температуры упругость паров повышается. Температура, при которой упругость паров металла станет равной атмосферному давлению. называется температурой кипения. Если упругость паров металла сравнима с полным атмосферным давлением Для решения применяем уравнение (8.46). Сплав состоит из 5% Мп и 95% Fe. Процесс испарения представим как химическую реакцию перехода из жидкого состояния в газообразное.

Электродуговое нанесение покрытий.

При электродуговом нанесении покрытия испарение металла осуществляется в зоне горения дуги вследствие эрозии электрода. Наиболее широкое применение находит дуговое испарение с холодного расходуемого катода.

Генерация газовой фазы осуществляется в зоне действия на поверхность разряда, в локальных участках — катодных пятнах вакуумной дуги, которые представляют собой участки поверхности катода, имеющие размер ~10−4…10−2мм. В катодных пятнах протекают также процессы интенсивной электронной эмиссии. В первом приближении считают, что число катодных пятен пропорционально силе тока дугового разряда. Для устойчивого горения дуги необходимо образование на катоде более двух пятен. В катодных пятнах плотность тока может достигать 107А/см2и выделяется мощность 107…108Вт/см2. В результате при горении дуги осуществляется быстрый нагрев материала, его плавление и испарение.

Характерным для электродугового испарения является наличие в газовой фазе большого количества капель и высокая степень ионизации атомов (до 90%). Размер капель зависит от теплофизических свойств материала катода и режима горения дугового разряда и составляет от 1 до 50 мкм. При испарении тугоплавких катодов (вольфрама, молибдена, тантала и др.) в газовом потоке содержатся капли размером менее 10 мкм, при испарении легкоплавких — 25…50 мкм и их доля в потоке возрастает до10…30%.испарение металл сварка плавление При работе электродугового испарителя катодные пятна вследствие взаимного отталкивания стремятся уйти на боковую поверхность катода, что является нежелательным, так как изменяется характер распределения газового потока. Для фиксации катодных пятен в центре катода используют внешнее магнитное поле (испаритель с магнитным удержанием катодных пятен) или экранирование боковых поверхностей катода (испарители с электростатическим удержанием пятен).

Содержание капельной фазы в потоке летучих частиц является одним их основных недостатков электродугового нанесения покрытий. До сих пор однозначно не определен механизм генерации этих капель. Наиболее вероятной причиной образования капель считают кипение в объеме расплавленной ванны и образование газовых пузырей из растворенных технологических газов, находящихся в объеме катода. При их интенсивном выходе на поверхность и происходит образование расплавленных микрочастиц. В пользу этого предположения свидетельствует тот факт, что при снижении газосодержания в катоде менее 10−6% образование капель не происходит.

Характерные параметры дугового разряда имеют значения:

ток дугиот10 до 104А;

напряжение между катодом и анодом (стенками камеры) U~10…30 В;

скорость осаждения покрытия.

;

удельная испаряемость г/Дж.

Важным является то, что, как уже отмечалось, до 90% атомов в газовой фазе являются ионизированными. При этом энергия частиц в газовом потоке составляет до 100 эВ. Данные особенности электродугового испарения позволяют достаточно эффективно управлять испаренными потоками и получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами.

Электродуговое нанесение покрытия имеет следующие достоинства:

• 1) возможность совмещения в едином технологическом цикле процесса нагрева (ионной очистки) поверхности в результате воздействия ионов с процессом нанесения покрытия;
• 2) возможность регулирования в широких пределах скорости нанесения покрытий (путем изменения, например, тока дуги);
• 3) возможность нанесения сложных по химическому составу покрытий, например, реактивным электродуговым осаждением;
• 4) высокая производительность процесса, возможность автоматизации;
• 5) высокие адгезия и сплошность получаемых покрытий.

Основной недостаток рассматриваемого метода, как уже отмечалось, — наличие в газовом потоке капельной фазы. Микрокапли, осажденные на поверхности, определяют неоднородность покрытия, его шероховатость. Разрушение таких покрытий происходит вследствие выкрашивания микрочастиц. Для снижения содержания капельной фазы наиболее часто используют следующие технологические приемы:

• 1) проводят дегазацию катодов (используют катоды, полученные методом вакуумной плавки);
• 2) осуществляют сепарацию плазменного потока в электрическом или магнитном полях;
• 3) оптимизируют режимы испарения. При увеличении тока дуги повышается содержание капельной фазы, которая неблагоприятно сказывается на свойствах покрытия. Рекомендуется проводить испарение при минимальном токе дуги. Однако в этом случае значительно снижается скорость осаждения покрытия, поэтому для получения высокой производительности процесса осаждения установки комплектуются несколькими электродуговыми испарителями. При этом их размещение под разными углами к поверхности подложки позволяет значительно повысить однородность и равнотолщинность формируемых покрытий.

Технология нанесения покрытий электродуговым испарением включает следующие основные стадии:

• 1. Очистка, промывка детали. Наиболее эффективна очистка в ультразвуковой ванне.
• 2. Закрепление детали в вакуумной камере и создание необходимой степени вакуума.
• 3. Нагрев и очистка детали методом ионной бомбардировки (включается электродуговой испаритель и на деталь подается потенциал смещения ~1000 В).
• 4. После достижения необходимой температуры подача потенциала на деталь прекращается и проводится нанесение покрытия.
• 5. Разгерметизация вакуумной камеры, снятие деталей и контроль качества покрытия.

Испарение атомов металла.

В настоящее время физические основы процессов испарения и конденсации атомов металла достаточно подробно разработаны. Создана исчерпывающая теория, описывающая испарение металлов и сплавов. В основе этой теории лежат положения молекулярно-кинетической теории газов.

Основным уравнением, описывающими испарение атомов металла, является уравнение Герца — Кнудсена:

гдечисло атомов, покидающих поверхность площадьюS;-масса этих атомов; - постоянная Больцмана;-термодинамические равновесное давление;- гидростатическое давление испаренных веществ в газовой фазе.

Анализ уравнения Герца — Кнудсена показывает, что испарение имеет место практически при любой температуре. Даже при комнатной температуре всегда образуются пары вещества, давление (или плотность) которых может быть очень малым. В технологии вакуумных покрытий за температуру испарения принимается температура вещества, при которой образуются атомарные потоки с давлением ~ 1 Па (10−2 мм рт.ст.), обеспечивающие нанесение покрытий со скоростьюv> 0,1 нм/c. Данному условию для большого числа металлов соответствует температура испарения от 1000 до 2000 °C.

В общем случае, переход атомов металла в газовую фазу может протекать по механизмам твердое тело — пар (возгонка) или жидкость — пар.

Испарение вещества в вакууме осуществляется с помощью специального устройства — испарителя. При этом материал испарителя должен удовлетворять следующим основным требованиям:

• а) давление паров материала испарителя при температуре испарения должно быть мало. При невыполнении этого условия невозможно получение химически чистых покрытий. Кроме этого в процессе эксплуатации испарителя будет происходить его разрушение;
• б) поверхность испарителя должна хорошо смачиваться расплавом испаряемого вещества и при этом между ними обеспечивается хороший тепловой контакт;
• в) испаряемое вещество не должно образовывать химических соединений с материалом испарителя. Это допустимо только в том случае, если образующиеся химические соединения имеют высокую термостойкость и соответствуют приведенным выше требованиям;
• г) материал испарителя должен быть достаточно пластичным и имеется возможность получения из него изделий сложной формы.

Вывод.

Испарение металла — неизбежный процесс при сварке открытой дугой. Испарение приводит к потере металла, изменению его химического состава в результате преимущественного испарения летучих компонентов (марганца — в сталях; магния, свинца, цинка — в цветных сплавах) и загрязнению окружающей зоны сварки атмосферы токсичными (ядовитыми) парами (Мn, Zn, Cr, Сu, Pb). Испарение может послужить причиной образования пор в металле шва (при сварке АМг6, латуней). Для уменьшения отрицательных последствий испарения стремятся сократить стадию капли: рекомендуют сварку вести короткой дугой.