Математическая модель давления паров и состава пара в канале проплавления при электронно-лучевой сварке высоколегированных сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.72

В.Я. Беленький, Е.С. Саломатова, М.Е. Малюкеева

Пермский государственный технический университет

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ ПАРОВ И СОСТАВА ПАРА В КАНАЛЕ ПРОПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Рассмотрены термодинамические модели влияния теплофизических и химических свойств легирующих элементов на общее давление пара в канале проплавления при ЭЛС высоколегированных сталей.

Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, давление паров в канале проплавления, легирующие элементы, термодинамическая оценка, химический состав паров над каналом проплавления.

Важным преимуществом сварки электронным лучом является возможность получения узкой и глубокой зоны проплавления. Процессы, протекающие в канале проплавления, образованном электронным лучом, сложны и многообразны. Интенсивная электронная бомбардировка металла на передней стенке канала проплавления, сопровождающаяся значительным перегревом металла, высокие скорости кристаллизации металла на задней стенке канала проплавления, обуславливающие высокие градиенты температур, наличие паров и газов в канале проплавления и взаимодействие их с электронным лучом, сложные перемещения жидкого металла в канале проплавления в ряде случаев обуславливают недостаточно качественное формирование металла шва [1].

В работе [2] было показано, что глубина проплавления при одних и тех же энергетических параметрах луча в значительной степени зависит от химического состава свариваемого металла. В связи с этим важной является оценка влияния каждого элемента, входящего в состав того или иного сплава, на давление паров в канале проплавления. Теоретическая термодинамика позволяет получить такие соотношения практически для всех металлических сплавов, используемых в промышленности.

В данной работе представлены термодинамические расчеты влияния теплофизических и химических свойств легирующих элементов на общее давление пара в канале проплавления при ЭЛС высоколегированных сталей.

На металлургические процессы, формирование структуры металла сварного шва и уровень его механических свойств существенное влияние оказывает химический состав свариваемого металла и температурный режим

сварки. При этом важным является исследование изменения содержания легирующих элементов в сплаве в результате их испарения из канала проплавления в процессе ЭЛС.

Исследования проводились при ЭЛС высоколегированных сталей марок 12Х18Н10Т и 09Х16Н4Б, которые широко применяются при изготовлении сварных конструкций в нефтехимической и атомной промышленности [3]. Для исследования была выбрана методика термодинамической оценки связи температуры испарения с давлением паров в канале проплавления при ЭЛС [4].

Равновесное давление паров металла в канале проплавления зависит от температуры и химического состава свариваемого металла. Для заданных значений температуры это давление является суммой парциальных равновесных давлений паров железа и легирующих элементов:

Парциальное равновесное давление пара химического элемента, входящего в состав сплава, определяется по формуле

Р - Р° а1

т~)0

где р - парциальное давление насыщенного пара /-го элемента над чистым элементом, которое может быть представлено в виде уравнения Клапейрона -Клаузиуса:

АН

^ р° ---------+в,

' 2,3 • КТ ‘

где ДДюш - энтальпия испарения /-го элемента; К - постоянная газовая; В -постоянная для определенного интервала температур.

Активность элементов в сплаве определяется по формуле

а - X у.,

где X-/ - атомная доля /-го элемента; у,- - коэффициент активности /-го элемента в сплаве.

Если ограничиться первым параметром взаимодействия, коэффициент активности /-го элемента в сплаве можно определить по формуле

п

0

1пу/ - 1пу0 +^6/' • X.,

где у0 - У; в разбавленном растворе на базе основы сплава; 6. - параметр взаимодействия элементов. и / в сплаве.

-2

Расчет упругости (равновесного давления насыщенного пара) и состава пара над жидкой фазой проводились для сталей 12Х18Н10Т и 09Х16Н4Б в интервале температур от 1812 К (температура плавления железа) до 3000 К (были взяты значения температур 1812, 1873, 2400 и 3000 К). При этом принималось, что основными компонентами пара являлись железо, кремний, марганец, хром и никель.

Расчеты проводились по формуле

Р - Р0X Ут.

Расчет равновесного давления для стали 12Х18Н10Т дает следующие значения для температуры 1812 К:

РРеД812 = 4,82 • 0,676 -1 = 3,26 Па,

Ря>1812 = 0,105• 0,0157• 0,0017 = 2,8-10~6 Па,

Рмш = 3,0 • 103 -1,3 03 • 0,199 = 777,89 Па,

РСг,1812 = 31,02 • 0,189 • 0,974 = 5,71 Па,

Р№>1812 = 2,37 • 0,093 • 0,678 = 0,145 Па.

Аналогичные расчеты проводились для других температур. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Давление паров элементов над сталью 12Х18Н10Т

Элементы Температура, К

1812 1873 2400 3000

Бе 3,258 6,976 1006,83 3,45-104

Бі 2,8Т0_6 9,2-10-6 0,029 8,59

Мп 1101 1756 3 6,902-103 321-103

Сг 5,72 11,86 1462,6 5024

№ 0,149 0,34 72,81 3306

7, Р, Па 1110,2 1775,2 39444,3 363838,6

^ Р, атм 10,9-10-3 17,6-10-3 3 90,5 • 10-3 3,6

Расчеты равновесного давления насыщенного пара для стали 09Х16Н4Б дали следующие значения:

РРе1812 = 4,82 • 0,0046 • 1 = 0,022 Па,

Ря,1812 = 0,105 • 0,0118 • 1,86 •Ю11 = 2,3 •Ю8 Па,

РМп,1812 = 3,0 • 103 • 0,0051 • 6,78 = 103,73 Па,

РСг,1812 = 31,02 • 0,1699 • 0,013 = 0,0685 Па,

Р№>1812 = 2,37 • 0,0398 • 24,43 = 2,304 Па.

Результаты расчетов равновесного давления паров для стали 09Х16Н4Б для температур 1873, 2400, 3000 К представлены в табл. 2.

Таблица 2

Давление паров элементов над сталью 09X16Н4Б

Элементы Температура, К

1812 1873 2400 3000

Бе 3,71 7,94 1145,3 3,9104

Бі 1,6-10-6 5,89-10-6 0,0188 5,86

Мп 221,4 351,1 7381 6,4104

Сг 1,688 3,683 576,32 2,07104

№ 0,063 0,144 30,91 1415

а П, І 1С 0чс 226,86 362,87 9133,55 125120,86

7 Р, атм 2,25-10-3 3,59-10-3 90,410-3 1,24

На рис. 1 и рис. 2 приведены графики зависимости давления паров легирующих элементов над расплавами сталей от температуры.

Далее производился расчет состава пара. Расчетная формула для определения состава пара:

!%.б.,}, = юо.

Роб.Т

При Т=1812 К для стали 12Х18Н10Т состав пара:

Г„, Ї 3,26

1110,2 2,8 •Ю’6

1110,2

1101

100 = 0,29,

•100 = 0,25•10”,

1110,2

5,72

1110,2

0,149

•100 = 99,17, •100 = 0,515, 100 = 0,013.

1 ’ 1110,2

Аналогично рассчитывается состав пара при Т = 1812 К для стали 09Х16Н4Б:

3 71

!%-б-е } = 226,86 100=1'64’

5,89 10 100 = 2,6 •Ю’6,

226,86

об,Мп

{%.

_ 221,4 " 226,86 1,688 226,86 0,063 226,86

•100 = 97,59, 100 = 0,744, 100 = 0,028.

Р, ■ 103, Па

Т, К

Рис. 1. Давление паров над сталью 12Х18П10Т

Р, ■ 103, Па

Рис. 2. Давление паров над сталью 09Х16Н4Б

Расчеты для температур 1812, 1873, 2400, 3000 К для сталей 12Х18Н10Т и 09Х16Н4Б приведены в табл. 3, 4.

Состав пара (об. %) над сталью 12Х18Н10Т

Элемент Температура, К

1812 1873 2400 3000

Бе 0,29 0,39 2,55 9,47

Бі 0,25 10-6 0,52 10-6 73,5-10-6 0,0023

Мп 99,17 98,92 93,55 88,1

Сг 0,515 0,668 3,71 1,38

№ 0,013 0,019 0,185 0,9

Таблица 4

Состав пара (об. %) над сталью 09Х16Н4Б

Элемент Температура, К

1812 1873 2400 3000

Бе 1,64 2,19 12,54 31,17

Бі 2,6-10-6 1,6-10-6 205,8-Ю-6 0,0047

Мп 97,59 96,76 80,81 51,15

Сг 0,744 1,015 6,31 16,54

№ 0,028 0,0397 0,338 1,131

На рис. 3, 4 приведены графики, зависимости состава пара над расплавом стали от температуры.

Рис. 3. Состав пара над сталью 12Х18П10Т

°/° об. і

Рис. 4. Состав пара над сталью 09Х16Н4Б

Анализ результатов полученных данных показывает, что при повышении температуры концентрация марганца в сварном шве снижается. Исследования коррозионных свойств сварных соединений, проведенные в работе [5], показали, что с увеличением содержания марганца сопротивление коррозионному разрушению высоколегированных хромоникелевых стали понижается. По мнению авторов этой работы, марганец может удерживать около себя атомы азота в объеме кристалла, отчего на дислокациях, расположенных по границам зерен, собирается углерод. Это, в свою очередь, понижает сопротивление высоколегированных хромоникелевых стали коррозионному разрушению.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. При низких температурах в канале проплавления (1812-2400 К) в состав пара входят в основном пары марганца, и для стали 12Х18Н10Т содержание паров марганца несколько выше (около 97,2 %), чем для стали 9Х16Н4Б (около 91,72 %). Поскольку пар сильно обогащен марганцем, то можно прогнозировать уменьшение концентрации марганца в сварном шве, особенно при повышенных температурах. Снижение содержания марганца в сварных швах, полученных при электронно-лучевой сварке, обеспечит повышение сопротивляемости металла коррозионному разрушению.

2. Концентрация паров хрома в канале проплавления выше, чем концентрация паров кремния и никеля, в особенности для стали 9Х16Н4Б, что может приводить к понижению концентрации хрома в сварном шве и отрицательно влиять на коррозионную стойкость сварных швов, полученных при электронно-лучевой сварке.

Список литературы

1. Сварка в машиностроении: справочник в 4 т. - М.: Машиностроение, 1978 - Т. 1 / под ред. Н.А. Ольшанского. - 1978. - 504 с.

2. Ланкин Ю.Н. Оценка температуры и давления паров в канале проплавления при электронно-лучевой сварке // Автоматическая сварка. - 1978. -№ 2. - С. 16-19.

3. Применение электронно-лучевой сварки в атомной промышленности Японии / И. Уратани, Д. Такано, М. Наяма, И. Шимокусу // Автоматическая сварка. - 2009. - № 7. - С. 35-44.

4. Уточкин В.В. Примеры решения типовых физико-химических задач в теории сварочных процессов. Ч. 1. Термодинамические задачи: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2000. - 45 с.

5. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. - М.: Металлургия, 1967. - 798 с.

Получено 27.12.2010