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.
£св> 800 600 400 200 |
0 10 20 30 6, мм |
Рис. 1.9. Средние значения удельной энергии єсв при сварке листов стали типа 18-10 толщиной до 50 мм различными способами |
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-
р, Т = const
|
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
л |
& |
(8.256) |
”«• У |
4^0+СуіпГ + ЯІп V |
Используя (8.25а) и принимая во внимание, что In |
= - 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
(8.26a) |
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.