Анализ диффузии примесей при сварке

Как уже отмечалось, между процессами электропроводности, теплопроводности и диффузии много общего. Они являются разновидностями энергомассопереноса – процеживания некоторой субстанции со свойствами идеальной жидкости через проницаемую среду.

Источник движения энергии или вещества – разность потенциалов (температур, давлений). Материал оказывает сопротивление движению. Процесс диффузии полностью укладывается в эту схему. Передаваемой из ячейки в ячейку субстанцией при диффузии являются примеси различных веществ в материале.

Закон Фика аналогичен закону Фурье:

,                                     (12.26)

где  – количество вещества, пересекающее в единицу времени поверхность  (поток массы); – градиент концентрации вещества по нормали к поверхности.

Потенциалом при диффузии (аналогом температуры) является не сама концентрация, а ее отношение к растворимости этой примеси в материале.

Программная реализация моделирования диффузии практически аналогична моделированию тепловых процессов:

1) обход всех границ и определение потоков массы;

2) суммирование притоков массы в ячейку за время  и определение изменения концентрации делением этой массы на массу материала ячейки.

Скорость диффузии существенно меньше, чем скорость распространения теплоты, поэтому целесообразно применять явную схему.

Какие процессы диффузии актуальны при сварке?

Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, в жидкости она больше, чем в твердой фазе, а в газах эта скорость максимальна. Она зависит от размера частиц и их взаимодействия с основным материалом. Известно, что очень велика скорость диффузии гелия (у него маленькие молекулы, инертность уменьшает его взаимодействие с материалом). Это свойство используется в гелиевых течеискателях.

Чаще всего анализируют диффузию водорода. Из-за малых размеров атомов он обладает значительной подвижностью в металлах, особенно при повышенных температурах. Водород оказывает существенное влияние на свойства сталей, часто является причиной холодных трещин. Актуальна также диффузия углерода и кислорода.

В сварочной ванне достаточно интенсивно идет диффузия всех элементов, чему способствует механическое движение расплавленного металла под действием гравитационных сил, давления дуги, теплового расширения и поверхностного натяжения.

Задачи изучения физических процессов в сварочной ванне, состава и свойств шва и околошовной зоны, а также формы проплавления достаточно сложны, но могут быть решены на основе применения МКЭ. Двухузловые элементы позволяют отделить сложности геометрии от сложностей физики. Здесь можно применить КЭ, связанные с пространством, а не с материалом.

Обычно предполагают, что весь материал остается в том конечном элементе, в котором он был вначале, а при деформации происходит перемещение узлов и изменение размеров элементов. Но, например, в гидродинамике этот подход неэффективен. Вместо него применяют другой: всю внутреннюю полость гидросистемы разбивают на неподвижные элементы, через границы которых протекает жидкость или газ. Такие элементы можно использовать для сварочной ванны и прилегающих кромок свариваемых деталей (решение в движущейся системе координат). Металл процеживается через эти элементы со скоростью сварки и переносит с собой теплоту, примеси и т. д. Внутри ванны металл дополнительно движется за счет разности давлений, гравитации и поверхностного натяжения. При таком подходе часть ячеек может быть заполнена веществом не полностью или вообще оставаться пустой.

Квацистационарный характер процессов позволяет делать довольно крупные шаги (по неявной схеме). Ход решения ясен, осталось найти желающих его осуществить.

Граничные условия при диффузии могут быть первого, второго и третьего рода. Примером условия первого рода, в котором задана концентрация примеси на границе, может служить граница сварочной ванны. Если в ванне происходит сильное перемешивание, то может поддерживаться постоянный состав примесей независимо от того, сколько их уходит через границу в твердую фазу. Примером условия второго рода, в котором задан поток массы через границу, может служить сварочный источник с плавящимся электродом, а примером условия третьего рода – граница с окружающей средой (например, воздухом).

Коэффициент диффузии и растворимость примеси в веществе являются функциями температуры.

При диффузии водорода важную роль играет его накопление в порах и дефектах. Связанный водород в дефектах не участвует в диффузии, но возникает обмен между порами и металлом (разновидность граничных условий), который приводит к переходу водорода в поры и обратно.

При сварке водород проходит следующий путь в металле:

1) попадает в сварочную ванну из воздуха (влажность), из дуги и присадочного материала (если электроды не просушены);

2) перемещается из ванны в металл шва и ОШЗ;

3) скапливается на границах зерен, вызывает трещины и ухудшение свойств (эти явления происходят при температуре ниже 200 ºС);

4) выходит через поверхность в воздух.

Послесварочный нагрев ускоряет выход водорода и предотвращает холодные трещины. При отсутствии этого подогрева выход водорода из толстостенных деталей требует нескольких суток, в течение которых возможно образование холодных трещин в швах под действием сварочных напряжений.

Влияние диффузии на распространение теплоты невелико. Поэтому можно решать эти две задачи последовательно. Если на каждом цикле учитывать перенос и теплоты, и примесей (такая модель называется связной), то возможен учет взаимного влияния процессов. При несвязном (последовательном) решении каждая из двух задач становится проще и появляется возможность расчета диффузии с более крупным шагом по времени.