Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Р.Е. Алексеева

Кафедра «Машиностроительные технологические комплексы.

Обработка давлением и сварочное производство»

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ

ОЦЕНКА ХАРАКТЕРА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ГАЗОВОЙ ФАЗЫ С МЕТАЛЛОМ ПРИ СВАРКЕ

Методические указания к лабораторной работе 5

по курсу «Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150202, 150401, 170102

всех форм обучения

Нижний Новгород

2007

Составители Б.П. Конищев, и.н. Кормушкина

УДК 621.791

Теоретическая и экспериментальная оценка характера взаимодействия газовой фазы с металлом при сварке: метод. указания к лаб. работе 5 по курсу «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202, 150401, 170102 всех форм обучения / НГТУ; мост.: Б.П. Конищев, И.Н. Кормушкина. Н. Новгород, 2007.-14 с.

Приводится методика теоретической и экспериментальной оценки характера взаимодействия газовой фазы с металлом при сварке.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать 17.08.07.

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л. 1

Уч.-изд.л. 0,5 Тираж 150 экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

©Нижегородский государственный

технический университет, 2007

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - освоение методик экспериментальной и теоретической оценки характера взаимодействия газовой фазы с металлом при сварке.

2. Теоретическая часть

Для изоляции металла сварочной ванны от вредного взаимодействия азота и кислорода воздуха при сварке применяют специальные газовые защитные среды. Сварка осуществляется или в струе этих газов, или в камерах, заполненных газом.

Газовая фаза (среда) в зависимости от ее состава и свойств входящих в неё газов может иметь по отношению к металлу сварочной ванны окислительный, нейтральный или восстановительный характер.

При газовой сварке металлов, когда в качестве источника энергии используется ацетилено-кислородное пламя, регулируя отношения объемов кислорода и ацетилена  = Vо₂ : Vс₂н₂, можно в широких пределах изменять характер пламени (газовой фазы). При  > I пламя будет окислительным ,  = 1 - нормальным,  < 1- восстановительным.

При дуговой сварке в защитных газах применяются как инертные газы (Ar, Не), так и активные газы (CO₂, H₂О),a также различные газовые смеси (Ar+O₂, Ar+СO₂, СО₂+O₂, Ar + CO₂+O₂ и др.).

При сварке в среде инертного газа (Ar, Не) изменение состава металла шва происходит только за счет процессов испарения металла, так как летучесть компонентов свариваемого сплава может быть различной. Окисление металла шва в этом случае практически отсутствует. Оно может произойти из-за недостаточной чистоты газа (Ar или Не) по кислороду, а также за счет поверхностных оксидов металла (окалины, ржавчины и др.) как основного, так и электродного, не удаленных при подготовке под сварку.

При сварке в среде СО₂ и других активных газов идет интенсивное окисление металла, так как в результате диссоциации этих газов при высоких температурах выделяется свободный кислород.

Диссоциация углекислого газа при высоких температурах происходит по реакции

2СО₂ = 2 СО + О₂. ( 1 )

Константа равновесия К_р этой реакции может быть определена по уравнению

, ( 2 )

где Т - температура, К; Р_СО, Ро₂ , Рсо₂- парциальные давления соответственно газов СО, О₂, СО₂, кПа

Учитывая, что в процессе диссоциации двух молекул СО₂ образуется две молекулы СО и одна молекула О₂,и принимая, что

Рсо₂ + Р_СО + Ро₂ = 100, Ро₂ = х,

получим

Р_СО=2 Ро₂ = 2х и Рсо₂=100 - 3 Ро₂ = 100-3х.

Тогда

. ( 3 )

Решая это уравнение, можно получить составы равновесных газовых смесей при различных температурах. Результаты такого расчета показаны на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость от температуры парциального давления газов,

образующихся при диссоциации СО₂

Как следует из рис. 1 с повышением температуры возрастает степень диссоциации и, следовательно, увеличивается содержание (парциальное давление) свободного кислорода в газовой фазе.

Уже примерно при 3000 К (т.е. при температурах, которые в условиях дуговой сварки вполне достигаются в газовой фазе) парциальное давление свободного кислорода в результате диссоциации СО₂ составляет около 20 кПа (20 %), т.e. примерно такое, как парциальное давление кислорода воздуха.

В связи с этим углекислый газ является сильным окислителем для железа и других элементов. Реакции окисления могут протекать непосредственно с углекислым газом или с образующимся при его диссоциации кислородом:

СО₂+Fe=CO+[FeO], O₂+2Fe=2FeO, (4, а, б)

СО₂+[Mn]=CO+(MnO), O₂+2[Mn]=2(MnO), (5, а, б)

2CO₂+[Si]=2CO+(SiO₂), O₂+[Si]=(SiO₂), (6, а, б)

CO₂+[C]=2CO, O₂+2[C]=2CO (7, а, б)

3CO₂+2[Cr]=3CO+(Cr₂O₃), O₂+4/3[Cr]=2/3(Cr₂O₃) (8, а, б)

Символ химического вещества в квадратных скобках означает его концентрацию в металле (в данном случае в железе), а в круглых скобках - в шлаке.

Интенсивность окисления элементов зависит от их химической активности и концентрации в растворе (расплаве).

Реакции окисления металлов обратимы и поэтому оксиды при определенных условиях способны диссоциировать. Представим реакцию диссоциации оксида в общем виде:

. ( 9 )

Для FeO, МnО, NiO, х = 1 и y = 1 ;

для SiO₂ , TiO₂ x = 1 и y = 2;

для Cr₂O₃, Al₂O₃ x = 2 и y = 3.

Если Э и Э_xО_y чистые конденсированные вещества, то единственным газообразным продуктом является кислород. В таких гетерогенных системах константа равновесия определяется одним парциальным давлением кислорода; К_р = Pо₂.

Величина Pо₂ - парциальное давление свободного кислорода, отвечающее состоянию равновесия реакции, называется упругостью диссоциации данного оксида Э_xО_y. Иначе говоря, упругость диссоциации химического соединения есть концентрация единственного газообразного компонента в равновесной системе, выраженная в паскалях или кПа, что более удобно.

Чем меньше значение упругости диссоциации химического соединения (оксида), тем более устойчив этот оксид, т.е. меньше диссоциирует. В самом деле, чем меньше, при прочих равных условиях, давление (или концентрация) свободного кислорода, отвечающее состоянию равновесия реакции, тем больше его количество связано в оксид и тем легче образуется последний. Наоборот, чем больше давление (или концентрация) свободного кислорода отвечает состоянию равновесия реакции тем меньше его количество связано в оксид, т.е. тем меньше химическая активность элемента к кислороду.

Уравнение изотермы химической реакции связывает упругость диссоциации оксида с изменением энергии Гиббса G^о соотношением

G°=-R T lnK_p =-R T lnPo₂ ,

где Т - температура, К;

R - газовая постоянная, R = 8,3143 Дж/(К моль).

Зависимость упругости диссоциации оксидов от температуры выражается уравнением

, ( 10 )

где А и В - коэффициенты, зависящие от фазового и агрегатного состояния элемента и оксида.

В табл. 1 приведены значения А и В и указан температурный интервал Т их применимости для различных оксидов.

Например, для реакции 2МnО = 2Mn + O₂ и интервала температур Т = 2058 + 2319 К.

Таблица 1

Оксид	Т, К	А	В	Оксид	Т, К	А	В
FeO	298-1184	8,64	27410	SiO2	848-1298	13,09	47350
	1184-1650	8,71	27490		1298-1690	12,93	47140
	1650-1809	6,54	23910		1690-1996	14,39	49600
	1809-3000	7,18	25070		1996-3000	13,58	48780
MnO	298-1517	9,70	40240	NiO	298-1726	10,94	24780
	1517-2058	11,20	42500		1726-2263	11,95	26530
	2058-2319	8,45	36840		2263-3000	9,92	21990
	2319-3000	16,65	60390	TiO2	1000-1950	11,18	49070
Сr2О3	1000-2171	10,95	39440		1950-2143	11,53	49740
	2171-2938	10,36	40950		2143-3000	9,90	46240
	2938-3000	19,70	64650	CO	298-3000	-7,16	11680

При Т=2100 К lgPo_2(MnO)=-9,093; Ро_2(MnO)=8,1 10^-10 кПа.

При Т=2300 К lgPo_2(MnO)=-7,567; Ро_2(MnO)=2,7 10^-8 кПа.

Упругость диссоциации оксида, когда элемент растворяется в железе, зависит от концентрации элемента в растворе и определяется по формуле

. ( 11 )

Например: ;.

Значение упругости диссоциации ,и др. рассчитываются в зависимости от температуры по уравнению (10). Концентрации [Ми],[Si] и др. элементов в железе выражаются в массовых долях, а не в процентах.

Упругость диссоциации оксида железа [FeO], растворенного в железе, рассчитывается по уравнениям

, ( 12 )

, ( 13 )

где Т – температура, К;

[FeO]- содержание оксида железа в растворе (в железе);

[FeO]_H - содержанке оксида железа в насыщенном растворе (в железе).

Сравнивая парциальное давление кислорода газовой фазы Ро_{2 (ГФ)} (например, образующейся при диссоциации СО₂) с упругостью диссоциации оксида , теоретически оценить характер газовой фазы по отношению к элементуЭ (Fe, Mn, Si, ,C_, Cr и др.) при различных температурах зоны сварки.

При газовая фаза носит окислительный характер, при- нейтральный, при- восстановительный.

Для экспериментальной оценки характера газовой фазы необходимо сопоставить исходную концентрацию элемента в сварочной ванне [Э]_и с содержанием элемента в шве [Э]_ш.

Исходная концентрация элемента [Э]_и в сварочной ванне рассчитывается по результатам экспериментов:

[Э]_и = _м [Э]_м +_н [Э]_п,

где [Э]_м, [Э]_п - содержание элемента (Мn , Si, С, Сr, Ni и др.) в основном металле и сварочной проволоке, %

_м, _н – доли участия основного металла и наплавленного (проволоки) в образовании сварочной ванны.

, ,F_ш = F_пр + F_н,

где F_пр, F_н, F_ш - площади проплавления, наплавки, суммарной площади шва (поперечного сечения).

Площади F_пр, F_н, F_ш определяются экспериментально с помощью кальки и миллиметровки.

Содержание элементов [Э]_м и [Э]_п выбирается по табл.2.

Таблица 2

Основной металл	Содержание, %			Сварочная проволока	Содержание, %
	[C]м	[Mn]м	[Si]м		[C]п	[Mn]п	[Si]п
Сталь	0,2	0,4	0,15	Св-08	0,08	0,6	0,03
Ст 3пс				Св-08Г2С	0,09	1,9	0,8

Содержание элемента в шве находится по эмпирической зависимости

[Э]_ш = b₀-b₁ _м

Коэффициенты b₀ ,b₁ выбираются по табл. 3 (основной металл - сталь Ст 3пс).

Таблица 3

Газовая фаза	Сварочная проволока	[C]м		[Mn]м		[Si]м
		b0	b1	b0	b1	b0	b1
СО2	Св-08	0,05	0,14	0,3	-0,1	0,01	0,13
СО2	Св-08Г2С	0,06	0,13	1,1	-0,8	0,3	-0,17
Аr	Св-08Г2С	0,08	0,12	1,6	-1,2	0,7	-0,56
Воздух	Св-08Г2С	0,05	0,13	1	-0,8	0,4	-0,27

Изменение концентраций элемента в процессе сварки [Э] определяется соотношением [Э] = [Э]_ш - [Э]_и .

При [Э] <0 газовая фаза носит окислительный характер, при [Э] > 0 - восстановительный, при [Э] =0 - нейтральный.