Лекции 18-25 (1043961), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

При сварке испарение металлов и 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 О₂, Н₂, N₂, и снижается их растворимость в жидких металлах. Создается самозащитная газовая атмосфера из паров свариваемого металла. Однако испарение приводит к потере отдельных компонентов свариваемого металла и сварочных материалов, а кипение жидкого металла 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:

[Me]_ж Me_г (8.62)

с константой равновесия этой реакции

K_p = p_Мe(г) / [Me]_ж , p_Мe(г) = K_p [Me]_ж , (8.63)

где [Me]_ж – молярная концентрация металла в жидкой фазе (для чистых металлов она равна единице, для сплавов – меньше единицы); р_Мe(г) – парциальное давление паров компонента Me сплава в газовой фазе (для чистых металлов

Для чистых металлов имеет место равенство K_p = используя которое, получаем из уравнения (8.46) следующую формулу для вычисления упругости паров чистого металла:

(8.64)

где – приращение энергии Гиббса в процессе испарения, численно равное работе испарения; – энтальпия испарения; – энтропия испарения, характеризующая переход от упорядоченного расположения атомов к неупорядоченному в газообразном состоянии (представлена в таблицах как разница
S_газ – S_ж). Изменения теплоемкости в процессе испарения не происходит так как испарение – изотермический процесс.

Как следует из формулы (8.64), с ростом температуры упругость паров повышается. Температура Т_к, при которой упругость паров металла станет равной атмосферному давлению р_вн, называется температурой кипения. Если упругость паров металла сравнима с полным атмосферным давлением р_вн = 1), то
а если она составляет k-ю часть р_вн (k = 0,1; 0,01 и т. д.), то

(8.65)

Упругость пара i-го компонента сплава, соответствующего совершенному раствору, как и упругость растворителя в бесконечно разбавленном растворе, рассчитывают в соответствии с законом Рауля по формуле

(8.66)

где – парциальное давление пара металла при его молярной концентрации, равной 1; [Me] < 1 – молярная концентрация данного металла в сплаве.

Согласно закону Рауля упругость пара i-го металла при
T = const уменьшается при переходе в сплав так как [Me]  1). При кипении сплава сумма упругостей паров компонентов сплава не ниже атмосферного давления р_вн.

Пример 8.8. Сравнить упругости паров чистых вольфрама, железа и марганца, а также парциальные давления их паров для двух сплавов железа:
с 2 % вольфрама и 5 % марганца при температурах 1000…5000 К.

Решение. Для решения применяем уравнение (8.46). Сплав состоит из
5 % Mn и 95 % Fe. Процесс испарения представим как химическую реакцию перехода из жидкого состояния в газообразное. Подставив в уравнение (8.64) значения из табл. 8.8, получим:

Таблица 8.8. Энтальпия и энтропия испарения некоторых элементов

Вещество	кДж/моль	Дж/(моль К)
Al	272,0	117,1
Cu	304,8	106,32
Fe	354,0	115,0
Ni	365,26	117,99
Si	304,0	104,8
Ti	445,0	213,4
W	769	135,4
Zn	114,82	97,1
Mn	210	89,3

Таблица 8.9. Упругости паров чистых металлов
и парциальные давления паров в составе сплавов
Fe – 2 % W и Fe – 5 % Mn

T, К
1000	3,23 10–13	3,21 10–13	7,94 10–34	4,92 10–36	4,764 10–7	2,287 10–8
5000	203,7	3,19 10–13	0,1096	0,00068	285,759	13,176

Для расчета парциальных давлений Mn, W и Fe в составе сплава (обозначенных с индексом i) найдем молярные концентрации компонентов сплава по формуле (8.27). Они равны: [W] = 0,0062, [Fe] = 0,9938, [Mn] = 0,048. По формуле (8.66) получим парциальные давления Результаты расчета приведены в табл. 8.9.

Рис. 8.11. Соотношение упругостей паров чистых металлов
Mn (кривая 1), Fe (кривая 2),
W (кривая 4) и упругости паров Fe (5) и Mn (3) в сплаве Fe – 5 %
Mn при высоких температурах

На рис. 8.11 приведены результаты расчетов для сплава железа с 5 % Mn. Итак, парциальное давление паров металлов в составе сплава меньше, чем упругость паров чистых металлов. Упругость паров вольфрама во много раз меньше, чем паров железа. Поэтому он применяется в качестве практически нерасходуемого электрода. Упругость паров марганца и парциальное давление паров марганца в сплаве Fe – 5 % Mn больше, чем железа, хотя его содержание в стали в 19 раз меньше. Это приводит к изменению содержания Mn в металле шва и ухудшению экологии при сварке.

Сравнительные характеристики защитных свойств покрытий

Из сравнения количества H₂, N₂, O₂ в наплавленном металле следует (см. табл. 10.6), что главным критерием качества газовой защиты путем вытеснения воздуха является количество азота в шве, содержание которого для всех электродов практически одинаково: в 5 раз больше, чем в соответствующем электродном стержне.

Основное различие защитных свойств покрытий заключается в получении разного содержания водорода в шве. Так, в покрытии Б в результате протекания реакции Н₂О с CaF₂ и SiO₂ выделяются фтор и SiF₄, которые связывают водород в нерастворимое соединение HF (см. гл. 9, пример 9.6). Благодаря этому химическому процессу при применении покрытия Б содержание водорода в наплавках в 7–9 раз меньше, чем при применении электродов с другими покрытиями.

Еще одно преимущество покрытия Б – малое количество раскислителей, что позволяет получать чистый (по шлаковым включениям) металл шва, обладающий высокой ударной вязкостью и хладностойкостью (см. рис. 10.20). Это позволяет применять покрытие Б для сварки всех высоколегированных сталей, содержащих хром, титан и другие активно окисляющиеся элементы.

К недостаткам покрытия Б следует отнести науглероживание шва при сварке коррозионно-стойких сталей, в которых углерод рассматривают как вредную примесь. Его содержание снижают до предела растворимости (0,02…0,03 %). Другим недостатком покрытия Б является чувствительность к влаге, ржавчине, вызывающей образование пор, а также непригодность к сварке переменным током вследствие деионизирующего влияния фтора, образующего отрицательно заряженный ион. Он связывает положительно заряженные ионы в нейтральные молекулы, не способные переносить электрические заряды в дуге.

Более технологичны электроды с рутиловым покрытием Р. Однако они ограничены по назначению: пригодны лишь для сварки низколегированных сталей, для которых временное высокое содержание водорода не опасно благодаря отсутствию зон с закаленными структурами, где водород усиливает склонность к холодным трещинам.

Важные показатели качества металла сварных швов – содержание газов и неметаллических включений, влияющих на прочностные свойства сварных соединений. В табл. 10.6 представлены данные сравнительной оценки рассмотренных групп электродных покрытий по содержанию в металле газов и шлаковых включений.

Как следует из табл. 10.6, электроды с основным покрытием Б имеют существенные преимущества по содержанию водорода, а также других газов и включений перед другими покрытиями.
Поэтому электроды с покрытием Б рекомендуются для сварки ответственных конструкций из сталей повышенной прочности (σ_в ≥ ≥ 500 МПа), работающих при низких температурах и ударных нагрузках.

Металлургические процессы при сварке электродами сильно зависят от характера переноса электродного металла, что, в свою очередь, зависит от плотности тока на электроде. При малых плотностях тока капли электродного металла крупные, долго находятся на торце электрода и при коротком замыкании между каплей и сварочной ванной переходят в нее лишь частично (40…30 % объема капли). Разрыв металлического «мостика» сопровождается разбрызгиванием. При больших плотностях тока (800…1000 А на 1 мм диаметра электрода) наблюдается мелкокапельный перенос металла и капли пролетают дуговой промежуток с большой скоростью. Это влияет на интенсивность протекания металлургических процессов при сварке.

КОНЕЦ КУРСА ЛЕКЦИй

Характеристики

Список файлов лекций