Диффузионные процессы при сварке разнородных металлов

Процесс взаимодействия твердой и жидкой металлических фаз при сварке и наплавке сопровождается той или иной степенью развития гетерогенной диффузии в зоне контакта. Интенсивность протекания этого процесса определяется температурой, длительностью контактирования , градиентом концентраций и диффузионной подвижностью атомов.

. В реальных процессах наплавки время контактирования тк существенно больше, чем время ретардации процессов гетеродиффузии .

В большинстве случаев как наплавляемый металл, так и подложка являются сплавами и в связи с этим на свойства получаемых соединений также могут оказывать существенное влияние процессы диффузии примесей в зоне контакта.

Характер распределения примесей зависит от коэффициента распределения k , характеризующего различную растворимость элементов в твердой и жидкой фазах, от коэффициентов диффузии DT в твердой фазе и D ж в жидкой, продолжительности процесса т и градиента концентрации примеси на границе сплавления. Значения коэффициентов диффузии Dт зависят от температуры, концентрации, структуры, примесей, напряженного состояния и могут меняться в широких пределах (от 1 — 10-11до 1 • 10-20 м 2 /с-1и менее).

в зависимости от типа диаграммы состояния может быть больше или меньше единицы.

Для большинства случаев диффузии элементов замещения величину эффективного коэффициента распределения К можно не учитывать при решении гетерогенных задач с точностью порядка 0,1—0,01 % [25].

В этих случаях для расчета можно пользоваться приближенными уравнениями:

Ст — концентрация элемента А и В С_ж •— концентрация элемента В в жидком металле Л.

С_т^о и С_ж^о — начальные концентрации примеси в твердой и жидкой фазе.

Для оценки работоспособности соединения важно знать не только состав металла, но и характер распределения химических элементов по его сечению. В работе [29] показано, что при значительной разнице составов основного и присадочного материалов в металле шва вблизи границы сплавления образуется зона переменного состава, обусловленная, несмотря на малые скорости сварки, турбулентным характером движения жидкости в сварочной ванне и образованием вблизи твердых стенок пограничного слоя.

где v — кинематическая вязкость жидкости; v — скорость перемещения жидкого металла относительно твердого; п — константа, зависящая от характера потока (для ламинарного потока жидкости 0,5, турбулентного — 0,2).

При наплавке дугой прямого действия движение наплавляемого металла в сварочной ванне должно иметь большую турбулентность, чем при наплавке без расплавления стали, например, при плазменной наплавке.

Из выражения (5) следует, что при наплавке без расплавления стали пограничный слой должен быть меньше, чем при наплавке с расплавлением стали.

Как при сварке — пайке, так и при сварке плавлением в определенный момент существует неравновесная двухфазная система — жидкий присадочный (наплавленный) и твердый основной металлы. Для одних и тех же сплавов в зависимости от способа сварки или наплавки состав контактирующего с основным металлом жидкого присадочного сплава, температура нагрева, состояние контактной поверхности твердого основного металла, а также длительность контактирования твердой и жидкой фаз различны. Поскольку система твердый металл — жидкий металл неравновесна , то даже незначительное время существования этих неравновесных фаз будет способствовать протеканию между ними диффузионных процессов в направлении установления фазового равновесия [6].

Глубина проникновения диффундирующего вещества подчиняется параболическому временному закону

где т — постоянный для данных материалов и условий коэффициент; D _т — коэффициент диффузии элементов растворимого вещества в растворителе; t — длительность протекания диффузионного процесса. Величина т меняется незначительно с изменением температуры.

Так как при сварочных процессах температура нагрева все время меняется, выражение (6) примет вид

Для определения глубины диффузионного проникновения жидкого металла в твердый необходимо знать длительность контактирования твердой и жидкой фаз. Однако при расчетах необходимо учитывать, что одновременно с процессом диффузии элементов жидкого присадочного металла протекает процесс растворения основного металла в жидком присадочном сплаве, поэтому практически наблюдаемая глубина проникновения элементов составит

где Х_р   — глубина растворившегося слоя основного металла в жидком присадочном.

Тогда выражение для определения глубины проникновения

где а —р линейная скорость растворения.

Этой формулой можно пользоваться для определения глубины проникновения, например меди в сталь и других сочетаний.