ТЕОРИЯ сварочных процессов

Виды разряда

В обычном (нормальном) состоянии газы являются хорошими электрическими изоляторами - диэлектриками. Однако, приложив достаточно сильное электрическое поле, можно вызвать наруше­ние изолирующих свойств газа (пробой) и его ионизацию: в газе возникают заряженные частицы, и он становится проводником, благодаря чему появляется возможность пропускать через провод­ник электрический ток и воздействовать на него электромагнит­ными полями. Протекание тока через газ получило название элек­трического разряда в газах (или газового разряда). Различают самостоятельный и несамостоятельный газовые разряды, послед­ний прекращается при устранении внешнего источника ионизации. Явления, возникающие при протекании электрического тока через газ, зависят от рода и давления газа, от материала, из которого из­готовлены электроды, от геометрии электродов и соединяющего их канала, а также от величины протекающего тока.

Газовый разряд может быть неустойчивым (например, искро­вым) и устойчивым (стационарным). В дальнейшем будем рас­сматривать только самостоятельные и стационарные газовые раз­ряды. Их можно классифицировать по внешнему виду: темповой (таунсендовский), тлеющий, в том числе коронный, и дуговой раз­ряды. Например, если в длинной цилиндрической стеклянной трубке, заполненной газом при давлении около 100 Па, медленно

повышать разность потенциалов между катодом и анодом, то при-

-12

боры фиксируют наличие тока начиная с 10 А. Он появляется вследствие вызываемой космическими лучами ионизации в объеме газа на стенках трубки и на электродах. С помощью ограничи­вающего сопротивления можно получить все три формы разряда (рис. 2.1). Темновой разряд переходит в тлеющий, который от­личается уже заметным свечением, используемым в газосветных

трубках. При этом катодное падение потенциала UK > 100 В;

-2 -1 2 плотность тока 10 ...10 А/см.

Практически повсюду, за исключением приэлектродных облас­тей, ионизованный газ электронейтрален, т. е. представляет собой

Рассмотрим реакцию диссоциации оксида МеО, протекающую в растворе того же металла:

2 МеО = 2 Me + О2.

Ее следствием может быть изменение концентраций как окси­да, так и элемента Me. Константа равновесия этой реакции (диссо­циации оксида) выражается как

Кр=-(8.69а)

аМеО

где аме и амео - активности соответственно элемента Me и его оксида Me О.

Отсюда упругость диссоциации оксида МеО в растворе равна р'о7 =кр-^г~- (8.696)

аМе

Так как константа равновесия реакции равна упругости диссо­циации того же оксида в чистом виде, то, подставив p<j2 в уравне-

а2

ние (8.696) вместо Кр, получим: р* = р0 . При этом рас-

2 <гш

смотрим два случая.

1. Если в растворе количество МеО мало, то, полагая аме = 1* можно записать:

Ро2= Ро2аМеО - (8.70)

Если учесть, что при малых концентрациях активность равна мольной доле растворимого, то яд/^о ^1, a plQ » /?о2- Таким об­разом, упругость диссоциации р^ оксида элемента, находящегося

в растворе, зависит не только от природы оксида и температуры, но и от активности или концентрации оксида в растворе. С умень­шением концентрации оксида его упругость диссоциации снижа­ется, что свидетельствует об увеличении химического сродства элемента оксида к кислороду.

Иными словами, чтобы перевести в оксид малое количество какого-либо элемента в составе сплава, необходимо поднять пар­циальное давление кислорода, что нежелательно вследствие окис­ления основы сплава. Поэтому нельзя до конца окислить и удалить из сварочной ванны вредные примеси - серу и фосфор.

2. Если в растворе содержится малая доля нежелательного эле­мента и его оксида, то упругость диссоциации такого оксида мож­но приблизительно рассчитать по формуле

где а Me = [%Ме]/100 - мольная доля металла в растворителе для случая неограниченной растворимости; Мме и Л/раств “ относи­тельные молекулярные (атомные) массы соответственно металла растворимого и растворителя.

Полагая, что концентрация оксида близка к предельной кон­центрации насыщения (а™к = 1) и что Мме ~ А/раств (например, Fe и

Мп), получим pl0 Это позволяет приближенно оценить

аМе

влияние степени насыщения (концентрации металла в растворите­ле) на упругость диссоциации его оксида. При уменьшении апме Упругость диссоциации оксида увеличивается. Это говорит о том, что полностью окислить нежелательную составляющую сплава в растворителе невозможно, и наоборот, для предотвращения окис­ления элемента в растворе необходимо снижать равновесное пар­циальное давление кислорода. Так, при сварке в вакууме снижают

Pq2 , что способствует распаду оксидов.

На рис. 8.14 показаны зависимости упругости диссоциации для различных оксидов от концентрации элементов, образующих эти оксиды в растворе стали. Упругость диссоциации FeO показана в виде горизонтальной линии, так как концентрация железа в рас­плаве принята постоянной и равной единице.

Как следует из рис. 8.14, для температуры 2000 К характерно весьма энергичное окисление С, затем Si, Fe и Мп при

концентрациях 0,001...1 %.

При температуре 2000 К для тех же значений концентраций вводимого в жидкий металл элемента возрастает окисле­ние углерода в составе сплава, что характеризует его раскис­ляющую способность. Угле­роду в этом отношении усту­пают все остальные элементы (Si, Fe, Мп). У кремния хими­ческое сродство к кислороду становится большим, чем у железа, при концентрациях, превышающих 0,001 %. Мар­ганец как раскислитель может проявлять себя только при концентрации выше 1 %; при меньшей концентрации интен­сивнее окисляется железо. Применив изложенные выше зависимо­сти, можно определить для данного сочетания элементов элемент - раскислитель и его количество (см. пример 8.4).

Пример 8.9. Определить необходимое количество раскислителя, которое должно быть введено через сварочную проволоку Св-08 при сварке стали СтЗсп в среде углекислого газа. Раскисление осуществляется только кремнием (окисление углерода не допускается).

Решение. Пусть доли основного металла и присадочного металла (сва­рочной проволоки Св-08) при образовании сварочной ванны составляют 50 %. В табл. 8.10 в скобках указано принимаемое при расчете количест­во элементов. Будем считать, что металл сварочной ванны состоит только из железа, углерода и кремния. Другими примесями пренебрегаем. Хи­мический состав этих составляющих определим согласно ГОСТ 2246-70, где заданы значения в определенном интервале. Выбрав из них средние значения, определим исходный химический состав сварочной ванны.

Исходя из начальных условий, учитываем, что должно происходить окисление углерода, а также, что это приводит к уменьшению прочности соединения и других его свойств. Технология сварки должна обеспечи­вать неизменное содержание углерода в металле шва, т. е. его массовую концентрацию, приблизительно равную 0,14 %.

Расчет реакций окисления углерода и кремния ведем по 02, так как сродство к нему выше, чем к атомарному кислороду:

2

2[С] + 02^ 2(СО), Кр=^О; (а)

Рог

[Si] + 02?=> (Si02), к=—. (b)

Рог

Из теории известно, что раскисляющие способности элементов зави­сят от температуры. Раскисление происходит при кристаллизации, по­этому расчетной будем считать температуру, близкую к температуре плавления стали. Принимаем Т= 1900 К.

Если допустить, что Si и С находятся в свободном состоянии, то рас­чет упругости диссоциации их оксидов можно рассчитать по формуле

(8.46), используя соотношение lg Кр - lg—или lg Кр = - lg p0l:

Ро2

для СО

TOC o "1-5" h z 0(СО) = | -221000 +178,29 t +11,88 1,009 _ lfi ^

gP°2 19,14 1900 19,14 19,14 ’ ’

для SiO

0(SiO2) _ -859300 -181,7 -4,7-1,01 =

2 19,14-1900 19,14 19,14

Отсюда следует, что в первую очередь окисляется углерод, но это не до­пустимо по условиям задачи.

Теперь рассчитаем упругости диссоциации оксидов СО и Si02 с уче­том их концентраций в расплаве. Для этого предварительно перейдем от массовых долей С, Si, Fe к мольным (см. пример 8.2), используя следую­щие значения относительных атомных масс: 12,011 (С), 28,086 (Si), 55,847 (Fe). Тогда

[С] =------------------------- °-1^—2,01------------------ = 0,00647.

0,14/12,01 + 0,08/28,09 + 99,8/55,85

На основании формулы (8.70) и реакций (а) и (Ь) запишем: для СО

о0(СО)

<«>

для Si02

.6/Si02) =aE°l

о

где p02 и p02 - парциальное давление кислорода в оксидах, находящихся

соответственно в расплаве и свободном виде.

Преобразуя формулы (с) и (d) и подставляя числовые значения, полу­чаем:

для СО

lg<°> = lg<0) -21g[C] = -16,0184 - 2 lg 0,00647 = -11,64; для Si02

lg PoS2'°2} = lg Pof°2 * - lg[Si] = -13,8914 - lg 0,00158 = -11,09.

Так как для Si02 значение lg pl0i больше, чем для СО, то (с учетом

концентраций Si и С) выгорает (окисляется) углерод, но это недопустимо по условию задачи. Значит, необходимо увеличить концентрацию Si, что уменьшит упругость диссоциации его оксида до условия:

lg/?^l02) = lg/?Q^0). Рассчитаем концентрацию кремния на основании

этого равенства (их равновероятного окисления). Приравняв выражения

[С12 РоСО) PoSi°2>

(с) и (d), получаем: — = —откуда [Si] = [С]2 - . Подстав-

Ро2

ляя числовые значения, находим:

lg[Si] = 2 lg 0,0065 -13,891 +16,018 = -2,251.

Для сравнения полученных результатов с исходными данными расче­та проведем пересчет мольных долей в массовые при условии, что сумма мольных долей компонентов равна единице, а доля [С] = 0,006, т. е. не

f

% изменилась. Тогда [Si] = 0,0056, а после перевода в массовые единицы по формуле (8.27) из примера 8.2 получаем: доля Si = 0,283 %. Доля железа [Fe] равна 0,9884. На основании расчета делаем следующие выводы:

1) для подавления реакции окисления углерода в сварочной ванне при сварке в среде углекислого газа необходимо иметь в присадочной проволоке не менее 0,57 % Si (чтобы в шве было 0,283 % Si) при равных долях участия в шве основного металла и электродной проволоки;

2) при сварке в углекислом газе низкоуглеродистой стали применяют проволоки Св-08Г2С (0,7...0,9 % Si) и Св-08ГС (0,6...0,85 % Si) с увели­ченным содержанием кремния для защиты углерода от окисления и для компенсации его потери при прохождении металла через дугу в стадии капли.