ТЕОРИЯ сварочных процессов

Расчет энергоемкости процессов сварки

Расчеты показали, что для многих видов соединений и материа­лов механические и термомеханические процессы требуют значи­тельно меньше энергии, чем термические процессы при сварке плавлением. Например, при сварке встык стальных стержней диа­метром 20 мм дуговым ванным способом необходимая удельная

2

энергия єсв ~ 1800 Дж/мм ; при контактной стыковой сварке оплав-

2 2 лением Єсв ~ 400 Дж/мм ; при сварке трением есв = 130 Дж/мм.

Для сварки встык пластин из алюминиевого сплава толщиной 5 мм требуются следующие значения удельной энергии ЄсВ: при аргоноду-

говой сварке ~ 300 Дж/ мм2; при контактной сварке = 200 Дж/мм2;

2

при холодной сварке ~ 30 Дж/мм.

Расчет удельной энергии єсв для разных методов сварки плавле­нием коррозионно-стойкой стали типа 18-10 (рис. 1.9) показал, что с увеличением толщины изделия удельная сварочная энергия резко растет при использовании многослой­ной сварки. Например, аргонодуговая сварка вольфрамовым (АДВ) электро­дом обеспечивает получение стыкового сварного соединения для листов толщи­ной 15 мм при общих затратах энергии

на все проходы до 1000 Дж/мм. Элек­тронно-лучевая сварка (ЭЛС) благодаря кинжальному проплавлению за один проход позволяет соединить встык лис­ты толщиной от 10 до 50 мм практиче­ски при одной и той же удельной энер - 2

гии 30...60 Дж/мм. Использование плазменной дуги (ПД) и дугового разря­да в вакууме (ВД) при узкой разделке позволяет потреблять при сварке мень­ше удельной энергии (єсв = 150...300 Дж/мм^), чем для дуги под флюсом (ДФ), для которой в зависимости от разделки кромок тре­буется бсВ = 400.. .600 Дж/мм2.

Сравнение значений єи и є0бщ для однопроходной сварки стали

показывает, что єи с уменьшением интенсивности источника воз-

2

растает примерно от 3...5 Дж/мм для лазерной сварки до 2

200.. .400 Дж/мм для газового пламени. В то же время общие за­траты энергии є0бщ, в которых учитываются, например, энергоза­траты на вакуумирование для электронного луча (площадь сечения 2

соединения ~ 500 мм ) и при КПД лазера (~ 1...15 %), в десятки раз выше для этих источников, чем для дуги в аргоне или для газо­вого пламени (рис. 1.10).

Si; Cu, мас. доли Mg, мас. доли

а б

Рис. 8.4. Влияние содержания Si (кривая 2) и Си (кривая 2) в Fe (а) и Mg в А1 (б) на их активность в расплавах при различных температу­рах (штриховыми линиями 1 показаны зависимости активности от концентрации в идеальных растворах)

При растворении вещества теряют индивидуальные термоди­намические свойства по следующим причинам: при образовании раствора увеличивается степень беспорядка, т. е. растет энтропия; изменяется внутренняя энергия веществ в результате установления новых межчастичных связей. Поэтому значения термодинамиче­ских параметров веществ, находящихся в растворе, отличаются от значений тех же параметров исходных (чистых) веществ. Кроме зависимости от температуры, давления и фазового состояния эн­тропия имеет очень сильную зависимость от концентрации веще­ства в данной системе - в растворе.

Жидкие растворы делят на идеализированные (бесконечно раз­бавленные), совершенные и регулярные. В бесконечно разбавлен­ных растворах мольная доля растворителя близка к единице. В них молекулы растворенного вещества не взаимодействуют между собой, так как отделены друг от друга молекулами растворителя. В

этом случае энтропия растворителя вычисляется по формуле Sj =

= 5°+ RTlnN, где N - мольная доля растворителя.

Совершенным раствором считается раствор, при образовании которого энтальпия растворения и изменение объема близки к ну­лю. К ним относятся в условиях сварки все газовые смеси и би­нарные растворы металлов: Со, Сг, Mn, Mo, W в железе. В совер­шенных растворах все компоненты при любых концентрациях подчиняются закону Рауля, т. е. сумма парциальных давлений компонентов раствора равна внешнему давлению. То же относится

к компонентам бесконечно разбавленного рас­твора. Его активность прямо пропорциональ­ная мольной доле, так как частицы раствори­мого не взаимодействуют друг с другом вследствие их рассеяния.

Регулярные растворы характеризуются тем, что энтальпия растворения при их обра­зовании не равна нулю. К ним относятся рас­плавы Си, Ni, А1 и Fe, их коэффициент актив­ности связан с энтальпией следующим соот­ношением: Hi = RTnyj.

В термодинамике концентрация вещества (компонента) в смеси веществ или в растворах определяется через мольные доли, определяе­мые отношением числа молей данного компо-

б

Рис. 8.5. Объем с двумя газами до (а) и после (б) их смешения

нента к сумме молей всех веществ, входящих в данную систему:

(8.25а)

где ЛГ/, пі - соответственно мольная доля и число молей данного компонента; ^ щ — сумма молей всех компонентов.

Рассмотрим процесс смешения двух идеальных газов, не реа­гирующих между собой. Пусть в двух частях объема, разделенного

перегородкой А, находится п молей первого и П2 молей второго газа (рис. 8.5, а). Если удалить перегородку А (рис. 8.5, б), то про­изойдет перемешивание газов в результате диффузии и на каждый

моль /-го компонента будет приходиться часть F/ общего объема

смеси Ко*.

v0 = гЕ"ґ> ; Vi-v'&L,

”і "і

где V - молярный объем.

Подставив выражение для F/ в уравнение (8.22), получим, что энтропия 1 моль /-го компонента в смеси при температуре Т равна

= - InNh преобразуем выражение (8.256) к виду

SlT = (S0 + Су In 7і + Д In К) - Л In ЛҐ/.

Поскольку выражение в скобках согласно (8.22) равно энтро­пии Sf чистого вещества при температуре 71, окончательно полу­чим

SlT =ST-RlnNj.

Отсюда следует, что энтропия /-го компонента в смеси или растворе при температуре Т зависит от энтропии St чистого веще­ства при этой температуре, обусловленной тепловыми условиями, и произведения RlnNj, определяемого концентрацией. Чем больше концентрация /-го компонента (Nj -> 1), тем меньше его энтропия, и наоборот.

Полученное выражение (8.26а) определяет очень важное поня­тие - рассеяние или диссипацию вещества, так как если Ni -> 0, то энтропия стремится к бесконечности, т. е. реакция выделения ве­щества в чистом виде из данной смеси будет осуществима лишь при очень больших затратах энергии. Этим следует объяснить большую трудоемкость выделения из руд в чистом виде рассеян­ных элементов, таких как бериллий, иттрий и др.

Большое число факторов, влияющих на значение энтропии, вызывает необходимость стандартизации табличных значений эн­тропии для различных веществ. Табулируют значения энтропии чистых веществ в джоулях на моль-кельвин (Дж/(моль • К), полу­ченные при стандартных условиях. Если исследуют процесс, про­текающий при температурах, отличных от стандартных, значения энтропии S, взятые из таблиц для стандартных условий, пересчи­тывают по уравнению (8.24а). Для многих веществ значения эн­тропии вычислены при различных температурах, и в справочной литературе можно найти таблицы разностей энтропий

AS0 = ST - *5298. Это позволяет упростить и уточнить расчеты. Для

ряда веществ значения AS0 приведены в табл. 8.1. Энтропию /-го компонента с учетом его концентраций для газовых смесей следу­ет вычислять по уравнению

SlT=ST-RlnPi, (8.266)

где pi - парциальное давление /-го компонента.

Для других систем (растворов) надо учитывать активные кон­центрации щ и коэффициенты активности yz.

Пример 8.2. Массовая доля углерода в стали 35 составляет 0,35 %. Опре­делить энтропию 1 моль углерода в стали 35 в стандартных условиях, считая коэффициент активности углерода в стали равным единице.

Решение. Расчет проводим с использованием формулы (8.26а). Стан­дартную энтропию 1 моль углерода определяем по табл. 8.1: 5° = = 5,74 Дж/(моль • К). Пересчитаем массовую концентрацию углерода gc = = 0,35 % в молярную Nc по формуле:

NMe = /,М' > (8-27)

где Аи gi - соответственно атомная масса и массовая концентрация /-го элемента; К - число элементов в системе. Подставим числовые значения и получим:

0,35.12 0,35/12 + 99,65/56

• По формуле (8.26а) определим энтропию 1 моль углерода в составе стали в стандартных условиях:

LnNc = -4,135;

si = 5,74 + 8,31 • 4,135 = 40,1 Дж/(моль • К).

Найдем соотношение энтропий углерода в составе стали (5®) и в чистом виде (5°):

Si _ 40,1 5° ~ 5,74 ~

Следовательно, энтропия углерода при растворении в железе в стандарт­ных условиях возросла приблизительно в 7 раз.