Лекция 9 — Газовая фаза при сварке плавлением. Диссоциация газов. Механизм насыщения металла газом. Влияние кислорода, азота, водорода и монооксида углерода на свойства стали.

Газовая среда в зоне сварки плавлением

При сварке плавлением наблюдается взаимодействие жидкого металла с окружающей средой. Физико-химические процессы, протекающие в газовой среде, оказывают большое влияние на качество сварки. К числу важнейших процессов относятся диссоциация газов, их раст­ворение в жидком металле, различные химические реакции в самой га­зовой среде и при ее взаимодействии с металлом.

Диссоциация газов. Высокая температура в зоне сварки создает условия для дис­социации газов. Процессы диссоциации газов сопровождаются погло­щением тепла, т.е. являются эндотермическими.

Процесс диссоциации простых двухатомных газов водорода, кис­лорода и азота выражается следующими реакциями:

Н ₂  2Н – 434,9 кДж/моль

О₂  2О – 495,3 кДж/моль (2.1)

N₂  2N – 713,1 кДж/моль

Степень диссоциации зависит от температуры и представляется в виде графика (Рис. 2.7). Если принять, что температура стол­ба дуги составляет 5000 °К, то для такой температуры расчеты дадут зна­чение степени диссоциации: для молекул водорода  = 0,96,  а  для молекул азота  = 0,038.

Рис. 2.7 – Кривая зависимости степени диссоциации

водорода и азота от температуры

Большое значение диссоциации двухатомных газов в зоне сварки объясняется следующими основными причинами:

1) В атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую активность и легко взаимодействуют с расплавленным металлом капель и сварочной ванной.

2) Параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне высоких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где тем­пература значительно ниже идет процесс обратный, сопровождающийся выделением тепла. Этим самым осуществляется регулирование теплового состояния в зоне сварки.

Аналогично диссоциируют трехатомные газы – пары воды – Н₂O и углекислый газ – СО₂

Н₂О  Н₂ + 1/2 О₂ – 242,2 кДж/моль (2.2)

CO₂  CO + 1/2 О₂ – 283,45 кДж/моль (2.3)

Диссоциация этих газов в дуговом промежутке может создать для жидкого металла окислительную или восстановительную атмосферу. Если упругость диссоциации водяного пара или СО₂ превышает упру­гость диссоциации окисла металла, металл может окисляться за счет кислорода диссоциированных  Н₂O или  СО₂, то есть

если Р_О2 (МеО)  Р_О2 (Н₂О) Ме + Н₂О  МеО + Н₂ и

Ме + СО₂  МеО + СО

Если же упругость диссоциации водяного пара (СО₂) меньше упру­гости диссоциации окисла металла, металл будет восстанавливаться из оксида.

Если Р_О2 (МеО)  Р_О2 (Н₂О) МеО + Н₂  Ме + Н₂О и

МеО + СО  Ме + СО₂

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов, для высоких температур характерно протекание реакции окисления азота воздуха, которая сопровождается поглощением тепла.

N₂ + O₂  2NO – 181,0 кДж/моль (2.4)

Образующаяся окись азота может существовать в не распавшемся виде в области низких температур. Она играет существенную роль как окис­литель, и по мнению некоторых исследователей, служит передатчиком азота расплавленному металлу.

Механизм насыщения металла газами.

Насыщение расплавленного металла газами происходит как в кап­лях, так и в сварочной ванне. В сварочной ванне процессы газона­сыщения протекают менее интенсивно, чем в каплях, по двум причи­нам:

1)  температура ванны ниже температуры капель;

2)  для ванны отношение реакционной поверхности к объему расплавленного металла на­много меньше, чем для капель.

При этом если газ, растворяющийся в жидком металле, находит­ся в атомарном состоянии, то его растворимость в металле следует закону Генри, т.е. содержание атомарного газа в металле находится в линейной зависимости от парциального давления этого газа в газо­вой среде.

Растворимость двухатомных газов, находящихся в молекуляр­ном состоянии, подчиняется закону Сивертса (закон квадратного корня):

[С]_Г2 = К , (2.6)

где   [С]_Г2 – содержание газа в металле (см³/100 г);

К –   коэффициент пропорциональности;

Р –  парциальное давление молекулярного газа над жидким металлом (атм.).

В большинстве металлов количество растворяющегося газа зави­сит от температуры металла.

[С]_Г = а.exp , (2.7)

где   а  и k –  константы;

Е – теплота растворения;

Т – абсолютная температура.

Из этой формулы следует, что с увеличением температуры ме­талла повышается и растворимость в нем газов, причем, в каплях эта растворимость может достигать значительной величины. Но рост растворимости газов не беспределен. При температурах, близких к температуре кипения метал­ла, растворимость газов заметно падает и с переходом металла в состо­яние кипения становится равной нулю.

Механизм растворения газов в жидком металле слагается из отдель­ных протекающих последовательно стадий:

1)  адсорбция атомов газа поверхностью металла;

2)  взаимодействие адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом и образование растворов и химических соединений, обычно эти процессы называются хемосорбцией;

3)  отвод продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла.

Процессы адсорбции и хемосорбции протекают с очень большими скоростями, почти мгновенно.

Что касается отвода продуктов хемосорбции вглубь металла, то скорость протекания процесса здесь значительно меньше. В отводе продуктов хемосорбции вглубь металла большую роль иг­рает механическое перемешивание жидкого металла, проходящее часто с бурным выделением газов.

Настоящая схема растворения газов в металле, в основе которой лежит закон Генри, получила название химического поглощения газов металлами.

При наличии электрического поля возможно и электрическое поглощение газов металлом. Такое поглощение наблюдается только у по­верхности катода в области активного пятна, куда внедряются положи­тельные ионы газов, поступающие из столба дуги. Наличие у поверх­ности катода слоя положительных ионов повышенной концентрации приводит к их перемещению в объем металла диффузионным путем, вследст­вие разности концентраций.

Степень развития электрического поглощения газов металлом зависит от величины катодного падения напряжения, состава газовой среды, то­ка и других параметров.