ТЕОРИЯ сварочных процессов

Расчет процессов испарения металлов и сплавов при сварке

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 само - защитная газовая атмосфера из паров свариваемого металла. Од­нако испарение приводит к потере отдельных компонентов свари­ваемого металла и 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:

[Ме]жТ±Мет (8.62)

с константой равновесия этой реакции

Кр — РМе(г) / [Ме]ж, рме(г) ~ Кр [Ме]ж. (8.63)

где [Меж - молярная концентрация металла в жидкой фазе (для чистых металлов она равна единице, для сплавов - меньше едини­цы); РМе(г) ~ парциальное давление паров компонента Me сплава в газовой фазе (для чистых металлов р%е).

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

lgPA/e=-^!L = -^!L + ^eiL. (8-64)

Ме 19,14 Т 19,147і 19,14

где AG®cn - приращение энергии Гиббса в процессе испарения, численно равное работе испарения; АЯ^СП - энтальпия испарения;

А^исп ~ энтропия испарения, характеризующая переход от упоря - доченного расположения атомов к неупорядоченному в газообраз­ном состоянии (представлена в таблицах как разница Sra3 - ^ж). Изменения теплоемкости в процессе испарения не проис­ходит (АС^исп = 0), так как испарение - изотермический процесс.

Как следует из формулы (8.64), с ростом температуры упру­гость паров повышается. Температура Тк, при которой упругость паров металла р®Ме станет равной атмосферному давлению /?вн, называется температурой кипения. Если упругость паров металла сравнима с полным атмосферным давлением (Рме~Рън = то

Тк = А#иСП /А5„сп, а если она составляет А>ю часть рвн (к = 0,1; 0,01 и т. д.), то

д н°

Т*=—0 ~ • <8-65)

M°cn-19,141g*

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

р‘ме=Рме[Ме], (8.66)

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

Согласно закону Рауля упругость пара /-го металла при

Т = const уменьшается при переходе в сплав (р'ме < рме> так как [Me] < 1). При кипении сплава сумма упругостей паров компонен­тов сплава не ниже атмосферного давления рвн.

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 % Мп и 95 % Fe. Процесс испарения представим как химическую реак­цию перехода из жидкого состояния в газообразное. Подставив в уравне­ние (8.64) значения Л#°сп, А^исп из табл. 8.8, получим:

TOC o "1-5" h z, о 354000 115

tefte =- ,ТГГ7^+'

19,147’ 19,14

, о 210000 89

ig^Mn =- :z-r;z +-

19,14 Т 19,14

, о 769000 135

tetfv = ~ ,пл;~+-,

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

Рре> р1ип, Pw* Результаты расчета приведены в табл. 8.9. р, МПа

Рис. 8.11. Соотношение упруго­стей паров чистых металлов Мп (кривая 7), Fe (кривая 2), W (кривая 4) и упругости паров Fe (5) и Мп (3) в сплаве Fe - 5 % Мп при высоких температурах

На рис. 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. Поэтому он применяется в качестве практически нерасходуемого электрода. Упругость паров мар­ганца и парциальное давление паров марганца в сплаве Fe - 5 % Мп больше, чем железа, хотя его содержание в стали в 19 раз меньше. Это приводит к изменению содержания Мп в металле шва и ухудшению эко­логии при сварке.