Алешин_Справочник_Сварка. Резка. Контроль_2004_1 том (Н.П. Алешин, Сварка. Резка. Контроль. Справочник, 2004), страница 10

Рассчитывают химический потенциал р по уравнениям: рч = 111с+)гТ. !ЯР1 для газовых смесей; [т, = р За + КТ Нб И; для расплааов (растворов), тле ря1 — энергия Гиббса компонента в чистом виде (лля )ЗЗ = ! )У; = 1) в стандартных условиях, т.е. рн! — — Аб 1р1 — парциальнае давление а, Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ з-го газа; !У; — малярная доля 1-го компонента раствора. Процесс равновесия соответствует равенству йй в фазах системы. Самопроизвольно компонент переходит из фазы, где йу больше, в фазу, где (22 меньше.

Наиболее вероятна реакция, при которой приращение Л(з минимально. Так, при окислении сварочной ванны 08Г2С наиболее вероятно окисление кремния, несмотря на наличие компонента с большим сродством к кислороду (углерод). 1З.4. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО КОЛИЧЕСТВА РАСКИСЛИТКЛЯ Для защиты какой-либо составляющей сплава, подвергающейся преимущественному окислению, необходимо ввести в определенном количестве элемент, имеющий большее сродство к кислороду. Для этого сравнивают при определенной температуре упругость лиссоциации их оксидов с учетом малярной концентрации элементов в составе сплава. В частности, для подавления реакции выгорания углерода из сварочной ванны необходимо ввести в шов > 0,28 % 8!.

Это значение определено лля ванны, содержащей 0,14 % С, 0,08 % 81 (при полном отсутсшии марганца), путем сравнения упругости диссоциации при 1900 К. В чистом виде упругость диссациации оксидов, рассчитанная по формуле (1.3. ! 1), 18РО 160184 18Р о 2 138914 Следовательно, при равных малярных концентрациях в первую очередь окисляется углерод. Упругость лиссоциацни оксидов СО и 8602 с учетом малярной концентрации углерода и кремния рассчитывается по формуле ро, = ро, [Ме), (1.3.16) С О где ро и ра — упругость диссоцнации ок- 2 2 сида металла, находящегося в сплаве и в свободном состоянии соответственно. В равновесных условиях с(зю,) с!со> ро, =ро, Следовательно, имеет место соотношение [С)'182 = р~~~ р"'оз' (1.3.12) откуда [Я]=[С) ро,(ЯО2)/ро,(СО)= = 0,0056 моля = 0,28 %.

Для подавления реакции выгорания углерода в указанных выше условиях в ванне должно быть л 0,28 % 88 В сварочной проволоке содержание кремния должно быть больше с учетом перемешивания с основным металлом и коэффициентом перехода кремния из электрода в металл шва. 2 ЗЛ СКОРОСТЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Скорость физико-химической реакции пропорциональна изменению концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

Если реакция идет в прямом направлении, то концентрация исходных веществ снижается, а продуктов реакции растет, пока не будет достигнуто для ланной температуры термодинвмическае равновесие. Прн постоянной температуре скаросп у гомогенных реакций прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ с учетом стехиометрических коэффициентов. Для реакции 2НО + Нз = НЗО + Н2О скорость у = К СЙО.Сн, (1Э.18) где К вЂ” константа скорости реакции (К = ! при единичных концентрациях веществ); Сио и Сн — концентрации НО и Нз.

2 При повышении равновесной температуры скорость физико-химических реакций возрастает. Требуется некоторая энергия активации для инициирования реакции В гетерогенных системах, состоящих из нескольких фаз (газ, флюс, жидкий, твердый металлы), каждый компонент стремится распределиться в системе так, чтобы ега химический потенциал в каждой фазе был одинаков.

Это осуществляется диффузионным путем и кимическнм взаимодействием В частности, скорость диффузии в газовой фазе, контактирующей с флюсом, растворяющим газ, протекает по закону Фика со скоростью Тя: Р = 2)г'2!С Я, (1.3.19) где 23 — коэффициент диффузии; à — плошадь поперечною сечения диффузионного патака; б — толщина диффузионного слоя; з'ЬС вЂ” разноси концентраций на расстоянии б. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ гз.б.

ФОРмнРОВАнне хнмнческОЕО Оэстлвл СВАРОЧНОЙ ВАННЫ При сварке плавлением химический состав ванны слагается из долей участия основного, электродного или присадочного металла с учетом коэффициентов перехода легнруюших элементов, т.е. отношения их доли а шве к содержанию в основном металле или электроде. 1.8. Дали участия в шве металла перлнтной н аустеннтной сталей в зависимости от типа соединения и метода сварки Доля участия асноансге металла в металле шаа (в%) лля саярки Струкгурный класс сяариваемой стали Тип соединения наплявкн ленточным электродом автоматической под флюсом ручной дуговой злектрошла- хозой Наплавка валика Перлитная Аусгеиитная 15...40 25...50 8...20 25...50 35...60 15...25 Олиослойные сты- ковые соединения 20...40 20...40 Перлнтная 25..50 30...50 40...60 Аустенитная Корни швов много. слойных стыковых Перлитная 25...50 и тавровых соеди- нений 35...50 Аустенитная 40...70 1.9.

Коэффициенты перехода некоторых элементов при различных способах дуговой сварки Коэффициенты перехода элементов Вил луговой сварки углерсда марлена храма Сварка в атмосфере без защиты: — проволока марки Св-08А 0,3...0„4 0,29...0,34 0,39...0,56 0,63..0,69 — то же, марки Св-18ХГСА 0,9...0,95 0,5...0,87 Сварка в СОз. — проволока марки Св-12Х19Н9Т 0.7 0,94 — то же, марки Св-18ХГСА 0,81 Сварка в Аг+ 5 % Оз.

— проволока марки Св-18ХГСА 0,6 0,69 0,71 — то же, марки Св-!ОГС 0,59 0,41 0,32 Сварка электродами марки УОНИ-13/45 0,14...0,27 0,45...0,55 В турбулентном потоке газ интенсивно перемешивается и его состав выравнивается по объему. за исключением поверхноспюго слоя б, где протекает диффузионный процесс. Толщина этого слоя прямо пропорциональна вязкости газа и обратно пропорциональна скорости его движения. Следовательно, скорость гетерогенного процесса зависит от совокупности диффузии и химического взаимодействия при доминировании самого медленного звена. Указанные доли участия, приведенные в табл.

1.8, весьма различны, так как зависят от технологических условий сварки (разделки кромок, вида раскладки слоев в многослойном шае, режимов сварки и теплофнзических свойств материалов). Ксоффициенты перекода легирующнх элементов приведены в табл. 1.9 для некоторых технологических процессов сварки. Ряд легируюших элементов (углерод, титан), входящих в состав стали, в этом процессе наполовину переходят в шлаковую ванну. Для нх сохранения требуется ввод специальных раскислителей. В частности, выгорание углерода предотвращают вводом кремния.

Другие легируюшие элементы защищают от окисления марганцем или другими, более эффективными раскислителями (цернем, иттрием, кальцием). Формулы лля ориентировочного расчета химического состава шва известны. Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ 40 о,оо 1.10. Атомный мс Аь номер /У, и потенциал иоиизации мществ Ц (/л эВ Вещеслю Вод д (Н) 1,0079 53,71 28 Никель РЙ 13,59 7,63 Калий (К) 14,0001 19,102 Азот (Х 19 14,54 Кисл од (О) 183,85 15,99 13„61 7,93 Алюминий (А!) 26,9815 40,08 13 20 Кальций (Са) Наг ий а 6,11 39 948 ~ 18 А гон(Аг) 15,76 22,93 5,!4 24,305 4,0026 2 12 Гелий Не Магний М 24,58 12,01 Железо Ре 55,347 26 7,90 Угле д (С 11,26 ч'т (Р) 19,99 16,9 Кисло од (Оз) 13,5 Азот 14,0 15,3 15,4 Вода (Н70) ХО 13,0 9,3 1,00 Водо д (Нз) К мний (Рй) 28„08 14 СО 14,4 63,5 Ма гвнец (Мп) 54,9 Медь Сц) 7,7 Титан (Т!) Литий (Е!) 47,9 22 6,8 6,94 5,4 1.3.7. ВзАимОдейстВие метАллА с ГАЗОВОЙ ФАЗОЙ В ЗОНЕ СВАРИВАНИЯ В зоне высоких температур в газовой фазе протекают реакции диссоциации и термической ионизации ее компонентов, реакции взаимодействия в газах, между газами и металлом, а также реакции сублимации и испарения.

Реакции диссоциации газов имеют следующий характер; Н 2Н, О 2О, !Ч 2Н, (!.3.20) СОз ьэ СО + О Н30 ьь Н + ОН. Сводный график степени диссоциации этих газов, представленный на рис. 1.22, показывает, что диссоциация водорода активно развивается при Т=(2...4) . 1О К, а кислорода — при болм высокой температуре. Менее всего диссоциирует азот, который при дуговой сварке существует преимущественно в молекулярной форме. Диссоциация гаке резко увеличивает их распюримость в твердом и жюком металлах, которая описывается законами Генри и Сивертса.

О 4ООО РООО ОООО т, Я Рис. 1.22. Влияние температуры ва степень лиссе- пивции о Различвых газов Для одноатомных газов Я = Кр (закон Генри), (1.3.21) где Я вЂ” содержание газов в металле; р — парциальное давление; К вЂ” коэффициент растворимости. Для двухатомных газов (Г) =. Кз/р (закон Сивертса). (1.322) При дуговом нагреве одноатомные газы и пары подвергаются так ке термической ионизации, образуя плазму из заряженных ионов и электронов, что облегчает стабильное горение дуги. Потенциалы ионизации ряда газов и паров приведены в табл.

1.10. Для щелочных металлов (калий, натрий, кальций), ряда газов и паров потенциал ионизации составляет 4...6 эВ. От них резко отличаются аргон. гелий, потенциал ионизация которых достигает 15...24 эВ соответственно. При смещнвании газов этот потенциал существенно снижается. Вырос следствие ионизации — усиление растворимости. В частности, водород в виде иона с положительным зарядом притягивается к катоду, увеличивая насыщение жидкого металла.

Этот эффект называют электростатической растворимостью. Содержание газов в металле измерщот в см /100 г либо а массовых долях, 5ь Графики равновесных концентраций водорода и азота в стали, алюминии, никеле и меди при различных температурах, приведенные на рис. 1.23, а, б, показывают, что в жидком мещлле равновесные концентрации отлельных газов весьма значительны, а при переходе в твердое состояние резко падмот, не. смотря на его высокую температуру. Это созлает риск образования пор при ускоренной кристаллизации.

Особенно велик перепад растворимости для водорода в твердом и жидком МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОПЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Л)',1И,)', 9Гааг 1иг1ьснздааг 100 1О 10 0 О 500 1500 Т, Х 500 1500 2500 Т, Х а) О) Рис. 1.23. Изменение раствернмастн водорода н азота в металлах нри различных температурах в равновесных условиям Т „и 7; — температуры кипения и плавления соответственно; щ у, б — структуры низколегированных сталей (ц — феррит; у — аустеинт; Ь вЂ” дельта-феррит) 1.11. Кинетика удалении водорода прп 20 С из металла сварного шва алюминии (см. рис.1.23, п), что объясняет его повышенную склониосп к образованию пор в условиях луговой сварки.

Растворимость водорода зависит также от структуры стали, что приводит к скачкообразному изменению растворимости при (а-ьу-ьб)-превращений и переходу от объемно-цеитрированной кристаллической решетки в гранецентрированную кристаллическую (см. рис. !.23„б). Водород, оставп~ийсл в металле после крисиллизации, образует пересыщенный твердый раствор внедрении.