Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 34
Текст из файла (страница 34)
9.2. Расчетное поле движения металла в продольном сечении сварочной ванны (х = О, з = Π— положение сварочного источника) Чрезвычайно важную роль играет и интенсивное перемешивание жидкого металла сварочной ванны (рис. 9.2), увеличивающее площадь соприкосновения газа с жидким металлом и его распределение по объему в зоне пониженных температур. Физико- химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварных соединений. Важнейшими из этих процессов являются диссоциация и ионизация газов, растворение газов в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с металлом. 389 действия газов с металлом обу- осв словлена высокой температурой металла в месте сварива- Д Г /, Шлак ния.
Принято различать две зоны (рис. 9.1): зона! высоких температур, достигающих температуры кипения, и зона 2 Сварочная пониженных температур, приб- '1 ванна лижающихся к температуре ли Рис, 9.1. Распределение температур '1зз? плавлениа. В высокотемпера- в зоне столба д ги турнуш зону входят капля на 7 — зона высоких температур (г< г„„„1; электроде, капля, проходящая 2 — зона низких температур (Т> т,р„„! столб дугового разряда, и активное пятно на передней стенке сварочной ванны. Кроме того, взаимодействие металла с газами в зоне дуги усиливается электрическим потенциалом между анодом и катодом и движением заряженных газовых частиц в электрическом поле дуги.
9.1.1. Степень диссоцнации атмосферных газов в дуге Высокая температура газов в зоне сварки создает условия для распада газовых молекул — диссоциации газов. Эти процессы сопровождаются поглощением теплоты Д диссоциации, т. е. являются эндотермическими, быстроразвивающимися при высоких температурах. Диссоциацию простых двухатомных газов — водорода, кислорода и азота — можно описать следующими уравнениями: Нг+ Й -+ 2Н(й =436 кДж/моль); Ог + 02 — + 20 Щ = 496 кДж/моль); )'»г + 03 -э 2»ч (03 = 715 кДж/моль).
(9.1) (9.2) (9.3) К а= К +4р (9.6) ,6о !8К ЯТ где Л6 = »»О — ТЬБ — ЛС,МоТ (см. (8.14б)). й где р — внешнее давление. Для определения зависимости Кр и а от температуры используют типовые реакции, номограммы н формулы диссоциации газов, приведенные в табл. 8.4, а значения Кл рассчитывают по формуле Вант-Гоффа (8.42): Отсюда следует, что поскольку энергия Дз, затрачиваемая на диссоциацию молекулы азота, имеет наибольшее значение, его молекула — самая прочная.
Азот должен диссоциировать в меньп»ей степени, чем кислород и водород в тех же условиях. Вследствие более интенсивной диссоциации парциальные давления атомарных частиц 02 и Нг в смеси выше, чем парциальное давление Х . Степ н 2. телень диссоциации для данной температуры описывается константой равновесия К . Для процесса диссоциации, например водорода (см. (9.1)), при постоянном давлении р она равна отношению парциальных давлений продукта диссоциации (рн) и исходного продукта (р»» ) с учетом стехиометрических коэффициентов, т. е. 2 рн »»2 (9.4) 4аг К = — р; 1 — 2а (9.5) 390 Е сли учесть, что при степени диссоциации а один объем газа Н п г превращается в смесь, состоящую из полученных продуктов распада (2а) и остатка исходных веществ (1 — а), то согласно расчетам, выполненным в разд.
8.9, Для вычисления Кг также используют эмпирические формулы, например для реакции диссоциации молекулярного водорода— приближенное уравнение Нернста 18К н = 1 50418Т 0 767. 22 570 лиг (9.7) 391 Следовательно, задавая значения температуры при постоянном давлении р, можно по эмпирической формуле для соответствующего газа вычислить величину К, а затем, пользуясь выраже»»нем (9.6), — и степень диссоциации этого газа при выбранной температуре. Если принять, что температура газов в столбе дуги составляет в среднем 5000 К, то в результате расчетов получим: для молекул водорода а = 0„96, а для молекул азота а = 0,038.
На рнс. 8.9, а приведены графические зависимости степени диссоциации некоторых газов и паров в зоне столба дуги от температуры. Из рисунка следует, что при температуре выше 5000 К все представленные газы и пары имеют значительную степень диссоциации, т. е. находятся в активном реакционном состоянии. Диссоциация двухатомных газов в зоне сварки имеет большое значение по следующим причинам: — в атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую активность и легко взаимодействуют с расплавленным металлом капель и сварочной ванны; — атомы газа в зоне столба дуги после диссоциации претерпевают термическую ионизацию. Они становятся ионами и перемещаются в соответствии со своими зарядами к аноду или катоду, т. е. к электроду или к сварочной ванне, что усиливает их растворимость в металле. Зависимость степени термической ионизацин различных газов и паров в среде дугового разряда от температуры, полученная по уравнению Саха, приведена на рис.
8,9, б; — параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне высоких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где температура значительно ниже, идет обратный процесс образования молекул из ионов атомов, сопровождающийся выделением тепла. Благодаря этим двум процессам осуществляется своеобразное регулирование теплового состояния в зоне сварки — перенос тепла от участка высоких температур столба дуги к жидкому металлу сварочной ванны, имеющему меньшую температуру.
Аналогично диссоциации двухатомных газов протекает диссоциация трехатомных газов, которые в сварочных процессах обычно представлены водяным паром и углекислым газом, входящими в состав атмосферы. Водяной пар диссоциирует по реакции: 1 Н20 + Д ~ ~Нг + — Ог Я = 243 кДж/моль), 2 для которой зависимость между степенью диссоциации и константой равновесия представлена в виде номограммы на рис.
8.8. Кроме того, константа равновесия реакции (9.8) при р = 1 может быть подсчитана по эмпирическому уравнению Чипмена— Самарина: 0,5 РнгРог 13154 (9.9) Рн,о Приняв во внимание, что одновременно при диссоциации выделяются водород и кислород, можно заключить, что диссоциация водяных паров в зависимости от условий протекания реакции (9.8) без участия атмосферного кислорода будет создавать для различных металлов окислительный или восстановительный характер среды. Если упругость диссоциации кислорода, выделяющегося из водяного пара, превышает упругость диссоциации кислорода из НгО оксида металла (р г > ), металл будет окисляться за счет Ог Рог кислорода диссоциированного водяного пара: Ме+ Н20„ар -+ МеО+ Нг.
392 Если же упругость диссоциации кислорода из водяного пара меньше упругости диссоциации кислорода из оксида металла ~~), реакция будет идти в обратном направлении, т. е. !Рог о, металл будет восстанавливаться из оксида водородом диссоциированного водяного пара: МеО+ Нг -+ Ме+ НгОпар. С02+ Д ~~ СО+ — 02 (Д = 289 кДж/моль). (9.10) 1 2 Зависимость константы равновесия реакции (9.10) от температуры определяется по формуле Вант-Гоффа (8.42) либо при р = 1 по уравнению Чипмена — Самарина О,5 РСОРог 14545 18К =18 г = — +4,405, РСО (9.11) ГДЕ РСО РОг, РСОг р — парциальные давления соответственно газов СО, 02 и С02.
Итак, задавая значения температуры, с помощью уравнений (9.11) и (9.б) или номограммы (см. рис. 8.8) можно определить константы равновесия, степень диссоциации и соответствующий состав газов. На рис. 9.3 приведен результат таких расчетов для интервала 1800...4000 К. Как видим, в области температур около 4000 К углекислый газ почти полностью диссоциирован, а вблизи поверхности сварочной ванны (при температуре 1800...2 ) 0...2000 К) его степень диссоциации незначительна. В зависимости от соотношения упругости диссоциации кислорода из оксида и из С02 направление реакции (9.10) определяет 393 С повышением температуры степень диссоциации водяных паров увеличивается и при 5000 К приближается к единице. Следует учесть, что обычно концентрация водяного пара в воздухе не является достаточной, чтобы обеспечить восстановление металлов. Однако сварка в специально полученном так называемом сухом водяном паре, не содержащем атмосферного кислорода, в принципе возможна — для углеродистых сталей.
Углекислый газ при высоких температурах также активно диссоциирует по реакции 100 о 0,8 0,6 М „- 0,4 Е Я 02 о О О 1800 2600 3400 Т, К Рис. 9.3. Влияние температуры на степень диссоциации углекислого газа и парпиальные давления продуктов лиссоциации окислительный или восстановительный характер среды, создаваемой для жидкой сварочной ванны при диссоциации углекислого газа. Если упругость диссоциации кислорода из оксида металла меньше, чем из углекислого газа (Ро, < Ро, ),то в ~р~д~ бузго со, дуг развиваться окислительные процессы, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
