Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Таблица 8.5. Степень диссацнации и состав газовой фазы прн диссоциация азота 8.9.2. Расчет потенциалов ионизацни газов При высоких температурах в газовой фазе дуги находится и ионизированный газ, т. е. ионы, получившие положительный или О - О отрицательный заряд по реакции Н вЂ” е= Н + е или Е +е=р . Различают однократную и многократную ионизацию (см. разд. 2.2.7). Потенциалы однократной ионизации приведены в табл. 8.6.
Термическая ионизация (см. разд. 2.2.8) играет важную роль в горении дуги, являясь поставщиком элементарных частиц. Процесс характеризуется степенью ионизации )(, т. е. отношением числа ионизированных частиц к общему числу частиц. Степень ионизации рассчитывают по уравнению Саха (см.
(2.50)). Из табл. 8.6 следует, что атмосферные и инертные газы имеют большой потенциал ионизации, что затрудняет возбуждение дуги и ее стабильное горение. Снижения потенциала ионизации достигают смешиванием газов и паров металлов. Таблица 8.6. Потенциал однократной ионнзацнн некоторых веществ Ионизацию смеси газов и паров оценивают эффективным потенциалом ионизации (7эф (см. разд, 2.4.3). Его расчет связан с определенными трудностями, так как на ионизацию оказывает большое влияние как состав (процентное содержание компонентов), так и качество ионизируемых частиц, т. е. наличие элементов с высоким или низким потенциалом ионизации.
Приближенную оценку эффективного потенциала ионизации смеси (7 ф при температуре Т получают по формуле В.В. Фролова (см. (2. 52)). Малярную концентрацию компонентов определяют по количеству н данного газа в смеси или по его парциальному давлению 1 рб С; = П1п = р;1р.
Определение реальных молярных концентраций компонентов смеси представляет главную трудность расчета. Они зависят от относительных масс компонентов, упругости их паров, состава фазовых систем (твердое или жидкое состояние) и др. Поэтому расчет получается приближенным. Номер элемента в периодической системе Потенциал ионизации и„эВ Атомная масса Вещество 1,0079 Водо од 15,4 ! 4,0001 15,8 Азот 13 61 15,99 Кисло од 26,9815 5,98 13 Алюминий А гон !8 15 76 39,948 Гелий 4,0026 24,58 48 Титан 22 6,8 63 Медь 7,7 13,5 16 Кисло од !44 СО 16,9 18,998 Фто 790 26 55 847 Железо 7,63 4,34 28 58 71 Никель Калий 19 102 7,98 74 183,85 Воль ам 6,11 20 40 08 Кальций 5 14 22 98 Наг ий Магний 7,64 !2 24,305 7 94 14 28 К емний 74 25 54 Ма ганец Литий 13 0 Вода 9,3 !чО Угле од 12,01 ! 1,26 349 348 Пример 8.7. Рассчитать степень термической ионизации паров алюминия, аргона и гелия, и эффективный потенциал ионизацин газовой смеси, первоначально состоявшей из 50 % аргона и 50 % гелия, при изменении количества паров алюминия от 0 до 100 % (это имеет место при сварке алюминия в инертных газах).
Молярные концентрации Аг и Не принять одинаковыми. Решение. Для расчета термической ионизации алюминия по табл. 8.6 находим (7, = 5,98 эВ, так как алюминий принадлежит к 1Н группе периодической системы элементов Менделеева. Задав значение температуры ' 5800 К в столбе дуги с неплавящимся катодом, получим т = 0,3 %. График зависимости степени термической ионизации паров алюминия имеет Б-образный внд (рис.
8.9) и проходит в сравнительно низком температурном интервале: при Т= 10 000 К т = 86,9 %. Степень термической ионизации гелия существенно меньше, чем у аргона. Поэтому при сварке лля снижения потенциала ионизацин используют смеси инертных газов. Пары металлов также участвуют в ионизации газов столба дуги. Для вычисления эффективного потенциала ионизации смеси аргона, гелия и паров алюминия найдем потенциалы однократной ионизации каждого компонента по табл. 8.6.
Они равны: для гелия 24,58 эВ, аргона 15,76 эВ, алюминия 5,98 эВ. Подсчитаем эффективный потенциал ионизации смеси аргона с гелием, который соответствует условию возбуждения дуги. В соответствии с формулой (8.63) для начального состоянии (50 % Не и 50 % Аг) при температуре 5800 К (г „в 14 12 0,75 а 0,8 0,50 0,4 0,25 351 350 0 4000 8000 12000 Т, К 0 10000 Т, К а б Рис. 8.9. Влияние температуры на степень диссоциации (а) и термиче- ской ионизации (б) различных газов и паров иф=-1 1П(05и2е 245+05ще игл) = 161! В После зажигания дуги появляются пары алюминия.
Учтем их влияние. При массовых концентрациях: 49,5 " .Не, 49,5 '4 Аг, 1;4 А! эффективный потенциал ионизации (',4= — 1 !п(0,495 е "+0,495 е ' е0,01 е ' )=8,28 В. Аналогично рассчитаем эффективные потенциалы ионизации для других соотношений концентраций компонентов газовой смеси. Результаты рас- чета приведены в табл. 8.7 и на рис. 8.10 (сплошная кривая). Таблица 8.7. Значении эффективного потенциала ионизации смеси аргона-гелив н паров алюминии при разной концентрации компонентов На основании проведенного расчета можно сделать следующие выводы: 6 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Аг+Не, % (мас.) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 А1, % (мас.) Рнс.
8.10. Изменение эффективного потенциала ионизации (7,4 смеси (аргон, гелий, пары алюминия) в зависимости от концентраций компонентов 1) степень термической ионизации паров алюминия, аргона и гелия, рассчитанная по формуле (8.62), имеет температурную зависимость Б-образного вида. Степень термической ионизации паров алюминия при температурах 10000 К приближается к единице (см. рис. 8.9). Аналогичный расчет для Не показывает, что степень его термической ионизации существенно меньше и диссоциация не завершается при 30 000 К; 2) эффективный потенциал ионизации 50 о'о-ной бинарной смеси газов с различными (7,4 значительно меньше среднего арифметического значения их потенциалов ионизации (штриховая линия на рис.
8. 10); 3) введение незначительного количества элементов с низким потенциалом ионизации заметно снижает эффективный потенциал ионизации (7 смеси, приближая его к значению (7,ь легко ионизируемого компоненэф та, например; после зажигания дуги появляются пары алюминия и напряжение на дуге резко падает. В частности, введение в дугу щелочноземельных элементов также существенно повышает устойчивость ее горения. 8.10. Расчет процессов испареиии металлов и сплавов при сварке Прн сварке испарение металлов н 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 02, Н2, Х2, и снижается нх растворимость в жидких металлах.
Создается само- защитная газовая атмосфера нз паров свариваемого металла. Однако испарение приводит к потере отдельных компонентов свариваемого металла н сварочных материалов, а кипение жидкого ме- талла 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; (8.62) [Ме)ж ~~ Мог с константой равновесия этой реакции л =Рм г)! [Ме1ж, Рм,(г) = К, [Ме]ж.
(8.63) где [Ме! . — молярная концентрация металла в жидкой фазе (для чистых металлов она равна единице, для сплавов — меньше единицы); рог„,!г! — парциальное давление паров компонента Ме сплава в газовой фазе (для чистых металлов рм,). Для чистых металлов имеет место равенство КР = Р~„испольо зуя которое, получаем из уравнения (8.46) следующую формулу для вычисления упругости паров чистого металла: О О о !8 р исп исп + ~Ьуисп 19,14Т 19,14Т 19,14 (8.64) 352 гдеЛОиоп — приращение энергии Гиббса в процессе испарения, 0 численно равное работе испарения; ЛНиоп — энтальпия испарения; О ЬЯИПП вЂ” энтропия испарения, характеризуюшая переход от упоря- О доченного расположения атомов к неупорядоченному в газообразном состоянии (представлена в таблицах как разница 5„оз — 5 ).
Изменения теплоемкости в процессе испарения не происходит (ЛС „,„= О), так как испарение — изотермический процесс. Как следует из формулы (8.64), с ростом температуры упругость паров повышается. Температура Т„, при которой упругость паров металла рм, станет равной атмосферному давлению ри„, О называется температурой кипения. Если упругость паров металла сравнима с полным атмосферным давлением (Рм, --р,„= 1), то = ЛН /Л5 а если она составляет (г ю часть р и (х = 0 1 исп исп ~ 0,01 и т.
д.), то о ~Нисп Л5„,„— 19,!418/г (8.65) Упругость пара р~~, 1-го компонента сплава, соответствующего совершенному раствору, как и упругость растворителя в бесконечно разбавленном растворе, рассчитывают в соответствии с законом Рауля по формуле Рм =Ром [Ме) (8.66) Пример 8.8. Сравнить упругости паров чистых вольфрама, железа и марганца, а также парциальные давления их паров для двух сплавов железа: с 2 'А вольфрама и 5 о4 марганца при температурах 1000...5000 К.
Реюеиие. Для решения применяем уравнение (8.46). Сплав состоит из 5 'Ь Мп и 95 'Ъ Ре. Процесс испарения представим как химическую реакцию перехода из жидкого состояния в газообразное. Подставив в уравнение (8.64) значения ЛН~,„, ЛЯ„о„из табл. 8,8, получим: о 354000 115 !9,14Т !9,14 2!0000 89 47 !9 !4 о 769000 135 194!Т 19,14 353 где Рм„ вЂ” пар — рциальное давление пара металла при его молярнои концентрации, равной 1;[Ме1 < ! — молярная концентрация данного металла в сплаве. Согласно закону Рауля упругость пара 1-го металла при Т = сопя! уменьшается при переходе в сплав (рм, < рз~„так как [Ме) < 1).
При кипении сплава сумма упругостей паров компонентов сплава не ниже атмосферного давления р „. р, МПа Рис. 8.11. Соотношение упругостей паров чистых металлов Мп (крнвая 1), Ре (кривая 2), Ж (кривая 4) и упругости паров Ре (5) и Мп (3) в сплаве Ре — 5 % Мп прн высоких температурах 0,03 0,02 0,01 2100 2300 2500 2700 2900 Т, К 355 354 Таблица 8.8. Эитальпия и энтропия испарения некоторых элементов Таблица 8.9.
Упругости паров чистых металлов р~г„р~н, р~~„ и парциальиые давления паров и„'„п~, рм„в составе сплавов Ре — 2% зт'и Ре — 5% Мп Для расчета парциальных давлений Мп, % и Ре в составе сплава (обозначенных с индексом О найдем молярные концентрации компонентов сплава по формуле (8.27). Оин равны: 1%) = 0,0062, (Ре) = 0,9938, 1Мп] = 0,048. По формуле (8.66) получим парциальные давления р„'„рм„, р,'~. Результаты расчета приведены в табл. 8.9. На рнс. 8.11 приведены результаты расчетов для сплава железа с 5 % Мп. Итак, парциальное давление паров металлов в составе сплава меньше, чем упругость паров чистых металлов. Упругость паров вольфрама во много раз меньше, чем паров железа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
