расчеты для двух стадий: стадии капли и стадии ванны, вы бирая за равновесную для каждой из них, например, среднюю температуру металла. Исходные концентрации реагентов при этом, естественно, будут различными для каждой из назван ных стадий. Такого рода расчеты позволяют приближенно оце нить возможность протекания той или иной реакции и ее ве роятное направление по величине стандартного изменения свободной энергии. При этом немалые трудности вызывает не достаточность термодинамических данных (активностей, темпе ратурных функций констант равновесия и др.) для многих сва рочных систем.
В качестве примера можно привести попытку теоретически доказать возможность восстановления титана йз (ТЮг)ф при сварке под флюсом системы СаО—AI2 O3 —ТЮг—CaF2 в ра боте [2]. Константа равновесия реакции:
(T i02) + |
2 [ F e ] ^ 2 ( F e 0 ) + |
[TiJ, |
|
||
v |
_ |
°FeO |
.. „ |
2 |
|
eFeO |
|
||||
Л TIOj — a TI |
|
— vTIVVTi -----------• |
|
||
|
|
a TlOj |
|
a TiO, |
|
Откуда |
|
|
|
|
|
NTl —KTIOt |
|
gTIO, |
|
|
|
vT 1 |
|
|
|
||
|
|
°FeO |
|
|
|
При пересчете мольных долей в проценты: |
|
||||
N |
|
Ум [% Ti] |
« 0 ,0 1 1 6 (% T i], |
|
|
Т‘ |
|
|
|
|
|
Убв [% Fe] - f V « [Ti] |
|
||||
1% Ti] = |
86 |
* т ю * |
. ДтЮг |
. |
(3.2) |
|
|
VTI |
aFeO |
|
|
Величину Ктю, можно найти по известной стандартной сво бодной энергии AZMS0 для реакций:
Т i0 2 **T i + 0„ |
AZ° = |
2 1 7 5 0 0 -4 1 ,471; |
|
|
2Fe + О* |
2FeO |
AZ° = |
— 111250 + 21,67 |
Г |
TiOa+ 2 F e |
2FeO + T i |
AZ = |
106250 — 19.7371 |
|
_J32I0_ + 4i3L
(3.3)
ТЮз 4,575т1
Коэффициент активности титана в расплаве железа опре деляется по уравнению [2 ]
lg vT1 = |
2076 |
0,094. |
(3.4) |
|
т |
||||
|
|
|
Активности |
1 ^ 2 |
и FeO для |
каждого состава флюса |
были |
||
определены |
на |
0 снове теории |
регулярных растворов по |
фор |
||
муле [2 ] |
, |
|
к |
|
k |
|
|
|
* - 1 |
|
|||
RT lg Vo = |
У |
xiQin + |
Z х&ч1— Z |
Z x/xiQtb |
(3-5) |
|
|
/ t i |
|
i=?+l |
i = 4 = t + l |
|
|
где k _количесТ8 0 оксидов в шлаке; v, — коэффициент актив ности компонент3^ Qiq> Qqii Qii — энергии смешения соответст вующих пар коМпонентов (* и q; q и t; t и /); *i — мольная доля оксида:
vm .
Z W i
i=i
щ — число молей оксида в шлаке; v, — число катионов в хи мической формул® оксида.
Поскольку данных об энергиях смешения рассматриваемых оксидов нет, их определяли по разности энергий образования комплексных соединений и соответствующих оксидов из эле
ментов.
При подстановке в формулу (3.2) данных, рассчитанных по уравнениям (3.3)—(3.5), можно найти равновесные концентра ции титана.
3.2. Расчет состав3 металла шва
3.2.1. Доли участия основного и присадочного металла
вобразовании сварочной ванны
Остепени легирования наплавленного металла и полноте про текающих реакций в сварочной ванне можнр судить на осно вании сопоставления исходной концентрации элемента в ней
[Ме]и и его содержания в металле шва [Ме]ш (другими сло вами, аналитического содержания элемента в шве).
Исходная концентрация рассматриваемого элемента при ближенно может быть подсчитана, если известна доля участия основного металла а, присадочного материала Ь, а также ме таллических добавок в покрытии электрода или составе кера мического флюса с в образовании сварочной ванны.
Долю участия а, b и с можно определять следующим обра зом. Если известна геометрия сварного соединения, подготов ленного под сварку, и поперечное сечение шва, то можно счи тать в первом приближении площадку Fa (рис. 3.3) пропорцио нальной массе проплавленного основного металла, а площадку Fbc — массе наплавленного присадочного металла и металли
ческой добавке в покрытии. Обозначив отношение F J F b c ^ m , получим
а/(Ь + с) = FJFbc = т. |
(3.6) |
Если известно отношение массы расплавленного покрытия или флюса к массе расплавленного электродного стержня или сварочной проволоки Км.п, можно написать
ф = к и. п (Me) ф = я. |
(3.7) |
где Me — доля металлической добавки в покрытии или флюсе;
ф —доля перешедшей в сварочную ванну металлической до |
||
бавки. |
что а + Ь + с= \ |
(3.8) |
Учитывая, |
||
и решая |
совместно уравнения |
|
(3.6) — (3.8), |
получим: |
|
а — m /(m + |
1); |
(3.9) |
Ь = l/[(m+ 1) ( я + 1)]; |
(3.10) |
|
с = я /[ ( т + 1 ) ( / » - М ) ] . |
(3.11) |
|
Обозначим соответственно |
через |
|
[Ме]а, [Ме]ь и [Ме]с процентное со
Рис. |
3.3. Площади |
проплавления |
держание |
элемента [Me] |
в основ |
|||
Fa и |
наплавки |
F^c |
для |
различных |
ном металле, электродной |
проволо |
||
типов сварных соединений при ду |
ке |
и металлической добавке в по |
||||||
|
говой сварке плавлением |
|||||||
исходная |
концентрация |
крытии или флюсе. В этом случае |
||||||
элемента в сварочной ванне может |
||||||||
быть выражена в следующем виде: |
|
|
||||||
|
[Ме]„ = |
а (Ме]а + |
Ь■[Ме]4 + |
с [Ме]с. |
|
(3.12) |
||
|
Сопоставление |
величины |
[Ме]и с |
содержанием |
элемента |
|||
[Me] в шве [Ме]ш позволяет судить о тех изменениях, которые претерпела концентрация этого элемента в процессе металлур гического цикла сварки.
Обозначив прирост (убыль) элемента через Д[Ме], получим
± Д (Me] = (Ме]ш - [Ме]„.
Если величина Д[Ме] положительна, имеет место прирост элемента за счет его перехода из покрытия или шлака; при отрицательном Д[Ме] наблюдается переход элемента в газовую или шлаковую фазы; при Д[Ме] = 0 концентрация элемента не претерпевает изменений в процессе сварки.
Иногда пользуются суммарным коэффициентом усвоения
T)s= [Ме]ш/[Ме]а. |
(3.13) |
Степень усвоения элементов сварочной ванной является различной в зависимости от того пути, посредством которого элемент поступает в ванну (основной металл, электродная про
волока, покрытие, сварочный флюс). Обозначив соответственно через г|а, Лъ и YJC коэффициенты усвоения металла [Me] из ос новного металла, электродного стержня и металлической до бавки в покрытии или флюсе и принимая во внимание, что
[Ме]ш = a [MeJa x\a + b [Me]* п* + с [Ме]с т)с,
получим
д [Ме]д г\а -^ Ь [Ме]^ тц, + с [Ме]с Пс |
.. . . |
3.2.2. Коэффициенты усвоения элементов
всварочной ванне
Вформуле (3.14) приведено приближенное выражение сум марного коэффициента усвоения (перехода) rjs элемента Me
сварочной ванной (металлом шва), которое можно предста вить в несколько измененном виде:
___________ [Ме]ш__________
(3.15)
а [Ме]в + b [Me]* - f с [Ме]с
где [Ме]ш — концентрация элемента Me в металле шва, %; [Ме]0, [Ме]ь, [Ме]с — концентрации указанного элемента в основном металле, сварочной проволоке и металлической добавке в по крытии, % соответственно; а, Ь, с — соответственно доли уча стия основного металла, сварочной проволоки и металличе ской добавки в покрытии в образовании металлической сва рочной ванны.
Если обозначить через [Ме]н — содержание элемента [Me] в наплавленном металле (без разбавления его основным ме таллом), то из формулы (3.14) получим
% = [Me]„/(& [Me]* + с [М еу . |
(3.16) |
С |
учетом того, |
что b+c= 1 и величина с значительно |
|
меньше Ь, выражение можно переписать в следующем виде |
|||
Ч» = |
[Ме]„/{[Ме]* + Кб (Ме)е [Ме]е], |
(3.17) |
|
где (Ме)с — массовая |
доля металлической добавки |
в покры |
|
тии; Км— коэффициент массы покрытия.
Формулы (3.14) и (3.17) служат для определения суммар ного коэффициента усвоения. При известном значении T]S и требующейся концентрации рассматриваемого элемента в на плавленном металле [Ме]н можно приближенно найти количе
ство (необходимое) металлической добавки |
в покрытии или |
керамическом флюсе: |
|
(Ме)с = ([Ме]„ _ [Me]* TJS)/(K„ [Ме]с т у , |
(3.18) |
где (Ме)с — в массовых долях.
Для получения той же величины в процентах данные, полу ченные в формуле (3.18), необходимо умножить на 100.
ТАБЛИЦА 3.2
КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕХОДА НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБАХ ДУГОВОЙ СВАРКИ [3]
|
|
|
|
Коэффициенты перехода элементов |
|
||
Вид дуговой сварки |
с |
Мп |
Si |
Сг |
|||
|
|
|
|
||||
Сварка |
в |
атмосфере без |
|
|
|
|
|
защиты: |
|
|
|
|
|
|
|
проволока |
марки |
0 ,3 -0 ,4 |
0,39—0,56 |
— |
— |
||
Св-08А |
|
|
|
|
|
|
|
то |
|
же, |
марки |
0,29—0,34 |
0,63—0,69 |
0,5—0,87 |
0 ,9 -0 ,9 5 |
Св-18ХГСА |
|
|
|
|
|
||
Сварка |
в среде, |
С02: |
|
|
|
|
|
проволока |
марлей |
— |
0,78 |
0,78 |
0,94 |
||
Св-12Х19Н9Т |
|
|
|
|
|
||
то |
|
же, |
марки |
0 ,8 |
0 ,8 |
0,81 |
0,94 |
Св-18ХГСА |
5 % 0 2 |
|
|
|
|
||
Сварка |
в |
Аг + |
|
|
|
|
|
проволока |
марки |
0 ,6 |
0,69 |
0,71 |
0,92 |
||
Св-18ХГСА |
|
|
|
|
|
||
то |
|
же, |
марки |
0,59 |
0,41 |
0,32 |
— |
Св-ЮГС |
|
|
|
|
|
|
|
Сварка |
электродами мар |
|
0,45—0,55 |
0,14—0,27 |
|
||
ки УОНИ-13/45
При известной величине (Ме)с ожидаемую концентрацию элемента Me в наплавленном металле [Ме]н можно определить из выражения
[Ме)„ = |
л* ЦМе]6 + Км (Ме)с [Ме]с) |
(3.19) |
или |
|
|
[Ме]„ = |
T]s {6 [Ме]ь + с[М е]с}. |
(3.20) |
Значения коэффициентов перехода для некоторых видов дуго вой сварки приведены в табл. 3.2.
ТАБЛИЦА 3.3
СОСТАВ МНОГОСЛОЙНОГО ШВА ПО ВЫСОТЕ ПРИ СВАРКЕ СТАЛИ 16ГНМА ПРОВОЛОКОЙ Св10НМ ПОД ФЛЮСОМ ФЦ-6, %
Расстояние |
Si |
Мп |
Р |
S |
от низа |
||||
шва, мм |
|
|
|
|
10 |
0,59 |
1,32 |
0,019 |
0,012 |
30 |
0,67 |
1,45 |
0,023 |
0,013 |
50 |
0,67 |
1,57 |
0,025 |
0,014 |
70 |
0,69 |
1,83 |
0,025 |
0,016 |
90 |
0,73 |
1,84 |
0,027 |
0,016 |
ПО |
0,74 |
1,87 |
0,028 |
0,019 |
Изменения в составе мно гослойного шва по его высоте
При многослойной сварке со став металла шва, как прави ло, изменяется от слоя к слою в связи с изменением степени разбавления его основным ме таллом. Это связано с тем, что состав поступающих в ванну капель и основного ме талла обычно различен. В итоге конечный химический состав является результатом