Кинетика окисления алюминия и меди при дуговой сварке Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999 г.

Вып. №8

УДК 621.791. 92

Роянов В.А.'.З (сарае Г.ГЛ ЗахароваИ.В.3

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ АЛЮМИНИЯ И МЕДИ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

В статье приводятся результаты исследований кинетики окисления алюминия и меди в зависимости от температуры, времени и концентрации реагирующих веществ.

При наплавке и сварке алюминия, меди и их сплавок все более широкое применение находят смеси аргона с кислородом в качестве защитных сред дуги; [1], [2], [3]. Поэтому кинетическая оценка образования и оксидов алюминия и меди в сварном шве представляет значительный научный и практический интерес.

Для определения содержания в металле оксидов алюминия и меди выполняли наплавки валиков в смеси аргона с 5 % кислорода на постоянном токе обратной полярности. Наплавка производилась на пластины из алюминия АД1 толщиной 25 мм, проволокой СВ-А5 диаметром 2,5 мм, а для наплавки меди использовали медь М1р и проволока М1 диаметром 3,0 мм. Режим наплавки валиков алюминия: Г = 380 - 420 А; Ц, = 32 - 34 В; Угп = 12 м/час. Наплавка валиков

В 'В > из

меди выполнялась на режиме: 1„ = 400 - 450 А; и = 28 - 34В; Усв = 12 м/час. Расход смеси А2+5 % 02 составлял 25 л/мин. Из наплавленного металла изготавливались образцы для определения оксидов алюминия и меди по принятым методикам |4|, [5]

Для определения порядка реакции и выбора её константы равновесия строили графическую зависимость, где по оси абсцисс откладывали время су ществования сварочной ванны, а по оси ординат, логарифм разности количества оксидов в наплавленном и основном металле, к моменту - 1в.

При исследовании окисления меди эта зависимость имела форму кривой, а д ля условий сварки алюминия, графики были близкие к прямым. Следовательно, для реакции окисления

меди:

2Си(ж)+0,502 <*Си20(т)

Кинетическое уравнение имеет' вид:

(1)

и является уравнением первого порядка. Взаимодействие алюминия с кислородом по реакции:

2А1(ж)+\ог <-> А1.03(т)

является уравнением второго порядка с константой скорости, равной [6] :

к jgi^zj'k)

" ' t(a-bj* (b-xb)

2

ПГТУ, д-р техн. наук, проф. 111 ТУ, канд. техн. наук, зав. лабор. ПГТУ, аспирантка

где I - время, с; а - количество оксидов в основном металле, %; X - количество оксидов в металле шва, %; Ха - количество меди, окисленной за время 1:; Х1 - количество кислорода, затраченного на окисление количества меди за время 1

Зависимость константы скорости окисления от температуры подчиняется уравнению Аррениуса [7], [8] вида:

К = К0е~(3)

где К - константа скорости г2/см4 с: О - энергия активизации Дж; Кп - предэкспоненци-альный множитель; Т - абсолютная температура. К; Я - газовая постоянная, равная 8,31 Дж/град'моль'1.

Определение энергии активизации и предэкспоненцнального множителя выполняли

графическим способом, где по оси абсцисс откладывали величину 1 /Т, а по оси^рдинат - лога-

=---——

рифм константы скорости реакции К. Затем, по углу наклона зависимости и

по отрезку, отсекаемому на оси ординат этой зависимости, равному 1«Ко, находили энергию активизации О и предэкспоненциальный множитель Кс.

Было установлено, что для алюминия Ко=0.2 и (2:=29000 Дж, а для меди К0=957 и Q=37700 Дж, что соответствует данным, полученным другими авторами [7], [8].

Коэффициент 0,266 в уравнении первого порядка умножают на Т0'5 [1].

Для уравнения первого порядка решаем уравнения [1] и [3] относительно К, а для решении П-го порядка уравнения [2] и [3], получаем:

Для реакции окисления алюминия:

Х = «--(4)

К 1е кт 10 ° 2,303

и для реакции окисления меди:

Х = \-[а-Ха\

аЮ

КТ -t(a-b) ------е п

2.303

(5)

Результаты расчетов окисления алюминия приведены на рис. 1, а окисления меди даны на рис. 2.

Закись алюминия AljOj, % X 10"* 35

—

м

г

их» гооо ъооо <юоо 5000 Температура, К

Закись меци, % х 10': 120

80

40

1400 , 1600

i 800 2000 2200

Температура, К

Рис. 1 - Зависимость количества оксида Рис. 2 •• Зависимость количества оксида

алюминия от температуры и времени: 1-9 с; меди oír температуры и времени:

2-8 с; 3-7 с; 4-6 с; 5-5 с; 6-4 с. 1-9 с; 2-8 с; 3-7 с; 4-6 с; 5-5 с; 6-4 с.

Выводы

С повышением температуры количество окислов алюминия в металле шва возрастает от

0.0002.% при 1000 К, до 0,003 %, с тенденцией к насыщению металла шва окислами алюминия При сварке меди в металле шва с ростом температу ры также возрастает от 0,001 % при 1400 К, до 0,0120 %, при температуре 2300 К.

С увеличением времени существования ванны при сварке алюминия и меди количество окислов в металле шва возрастает.

С повышением влажности защитного газа кислород затрачивается на взаимодействие с водородом диссоциации влаги, а его избыток расходуется на окисление свариваемого металла и его примесей, согласно их активности.

Перечень ссыпок

1. Псарас Г.Г. Особенности автоматической сварки алюминия плавящимся электродом в смеси аргона с кислородом//Сварочиое производство. -1971. - № 9, - С 21- 23.

2. Псарас Г.Г., Алексеенко В.И Автоматическая наплавка подпятников домкратных тележек кремнистой бронзы в смеси аргона и кислородом. //Сварочное производство,- 1972,- № I.

3. Рабкин ДМ., Довбищенко И.В., Псарас ГГ. Металлургические особенности сварки технического алюминия в смеси аргона с кислородом. //Автоматическая сварка.- 1974 - № 5. -С 25-26.

4. Альтман М.Б. Неметаллические включения в алюминиевых сплавах. - М.: Металлургия, 1965,- 130с.

5. Смирягин Д.П., Смирягина НА., Белова A.B. Промышленные цветные металлы и сплавы. -М.: Металлургия, 1974. - 488с.

6. Даниэлъс Ф., Алъберти Р. Физическая химия. - М.: Высшая школа, 1967. - 788с.

7. Кубашевский О., ГопкинсБ. Окисление металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 3965. - 427с.

Роянов Вячеслав Александрович. Д-р техн. наук, проф., зав кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», окончил Ждановский металлургический институт в 1963 году. Основные направления научных исследований - исследование процессов сварки и родственных технологий.

Псарас Геннадий Георгиевич. Канд. техн. наук, старший научный сотрудник; заведующий сварочной лаборатории, окончил Мариупольский металлургический институт в 1959 году. Основные направления научно-исследовательской работы: исследование физико-химических, металлургических и гидродинамических процессов сварки, разработка нового сварочного оборудования.

Захарова Ирина Вячеславовна. Аспирантка кафедры «Оборудование и технология сварочного производства», окончила Приазовский государственный технический университет в 1997 году. Основные направления научных исследований - исследование процессов сварки.