3. Характеристика фаз, що утворюють зварювальну систему

В умовах зварювання плавленням створюється багатокомпонентна гетерогенна система, компонентами якої є метали ( Fe при зварюванні сталей, а також елементи, що вводять для розкиснення, легування й модифікування металу шва), металоїди (С , Н , N , O, S , P та інші), хімічні сполуки (оксиди, нітриди, гідриди, сульфіди, фосфіди). В умовах зварювання компоненти можуть існувати у твердому, рідкому й газоподібному стані. Відповідно до цього у зварювальній зоні утворюються три основні складні змішані фази: газова, рідка металева й рідка шлакова. При цьому окремі компоненти (як правило, хімічні сполуки) можуть утворювати самостійні прості фази в змішаних конденсованих фазах: металевій і шлаковій.

У зв'язку із цим у металургічній літературі для визначення, в якій фазі знаходиться реагуючий компонент (метал, металоїд, хімічна сполука) і, відповідно, у якій фазі проходить хімічна взаємодія, прийнято такі позначення: якщо речовина існує в металевій фазі, її хімічну формулу беруть у квадратні дужки; якщо – в шлаковій, її хімічну формулу беруть у круглі дужки; якщо – в газовій, її хімічну формулу записують без дужок.

З урахуванням цього хімічні реакції записують таким чином:

у газовій фазі (метал і його оксид існують у вигляді пари)

Ме + O  МеО;

у металевій фазі (кисень й оксид знаходяться у розчині)

[Ме] + [O]  [МеО];

у двофазній системі (оксид утворює самостійну фазу, що не розчиняється в металі, та переходить у шлак)

[Ме] + [O]  (МеО);

у трифазній системі

2[Ме] + O₂  2(МеО).

Обмінна реакція між металевою й шлаковою фазами має вигляд

[Me ] + (Me_nO_m)  m(Me O) + n[Me ].

У цьому випадку речовини переходять у металеву або шлакову фазу залежно від розчинності в цих фазах.

Стрілки в рівняннях показують, що взаємодія може йти в обох напрямках. При високих температурах реакції відбуваються переважно зліва направо. При зниженні температури рівновага цих реакцій зміщується зправа наліво.

1. Газова фаза при зварюванні плавленням

Газова фаза складається з простих двохатомних газів: O₂, Н₂ , N₂ і складних газів: СO, CO₂ , Н₂O _пара, С_nH_m, які попадають у зону зварювання безпосередньо або в результаті дисоціації різних органічних і неорганічних речовин і газів, а також різних обмінних реакцій (наприклад, карбідів і парів води). Так, азот попадає в зону зварювання, головним чином, із повітря. Джерелами кисню й водню є повітря, зварювальні матеріали (електродні покриття, флюси, захисні гази та ін.), а також окисли, поверхнева волога й інші забруднення на поверхні основного й присадного металів. Нарешті кисень, водень та азот можуть утримуватися в надмірній кількості в металі, що переплавляють.

Рисунок 5 – Залежність дисоціації

водню і азоту від температури

Зварювання плавленням характеризується високими температурами (при дуговому зварюванні – 5000...7000 К, при плазмовому –10000...12000 К). При таких температурах у газовій фазі відбувається багатостадійний процес дисоціації газів (рис. 5).

Дисоціацію простих двоатомних газів – водню, кисню і азоту – можна записати такими рівняннями:

H₂+103,8 кал/моль → Н + Н;

O₂+118,2 кал/моль → O + O;

N₂+103,8 кал/моль → N + N.

Ці процеси супроводжуються поглинанням тепла, тобто є ендотермічними. Звідси видно, що енергія, яка витрачається на дисоціацію молекули азоту, найбільш висока й тому молекула азоту – сама міцна. В однакових умовах азот має дисоціювати менше, ніж кисень і водень.

Аналогічно відбувається дисоціація триатомних газів, з яких у зварювальних процесах звичайно беруть участь пари води й вуглекислий газ:

2H₂O (пар) + 115,6 кал/моль → 2H₂ + O₂;

CO₂ + 67,65 кал/моль → СО + ½O₂.

Дисоціації підлягають й більш складні з'єднання. До складу багатьох електродних покриттів і флюсів входять плавиковий шпат CaF і карбонати, наприклад СаСО₃. При високих температурах вони розкладаються відповідно до реакцій

CaF₂ → CaF + F;

CaCO₃ → CaC + CO₂.

Двоатомні гази H₂, O₂ , CO, що утворюються, також дисоціюють.

На склад газової фази впливає також метал, що випаровується, змінюючи цим умови проходження дугового розряду, а також електронного або лазерного випромінювання. Це випарювання є вибірним, причому інтенсивніше випаровуються елементи з більш високою пружністю пари. Наприклад, при зварюванні сталі найбільш інтенсивно випаровується марганець, при зварюванні латуні – цинк. У результаті вибірного випарювання помітно знижується концентрація летких елементів у металі шва, що необхідно враховувати при розробленні технології зварювання.