10. Особенности протекания химических реакций при сварке.

Процессы сварки оставляют в системе, за которую можно принять зону сварки, на изделии не исчезающий результат – сварной шов. Причём в системе возникают новые вещества, продукты химических реакций между металлом и средой. При различных скоростях сварки преобладают те или иные химические реакции, но они протекают во всех случаях.

Примеры:

при диффузионной сварке в вакууме идут реакции диссоциации окислов, образование соединений металлов друг с другом, а также с растворимыми в них газами;

при ЭЛС идут химические реакции в результате встречи частиц, имеющих высокий уровень энергии, как между собой, так и с элементами и составом металла шва;

при дуговой и газовой сварке идут реакции диссоциации газа в зоне дуги или пламени, реакции взаимодействия этих газов с компонентами свариваемого металла и шлаков.

Химические реакции при сварке являются основным видом необратимых термодинамических процессов. Этими реакциями определяется ход металлургических процессов, процессов плавления и кристаллизации.

Некоторые реакции окисления и образования интерметаллидов являются нежелательными и их ход необходимо подавлять. Другие реакции улучшают свойства сварочных швов: восстановление металла из окислов, образование соединений, связывающих вредные примеси. Эти реакции надо поддерживать.

Вывод: управление в процессе сварки ходом химической реакции регулирует состав и свойства сварного соединения.

Условия протекания химических реакций при сварке.

По сравнению с другими металлургическими и химическими процессами химические реакции при сварке протекают в особенно жёстких условиях:

-большой градиент температур в сварной зоне, т.к. металл разогрет от температуры кипения до температуры окружающей среды;

-относительно малый объём материала, участвующего в реакции, при большой удельной поверхности веществ (удельная площадь сварочной ванны 0,25-1,0 см²/г, удельная площадь капли присадочного металла ≈ 10 см²/г). При сварке сильно развита поверхность взаимодействия;

-интенсивность протекания реакции обусловлена высокой температурой, особенно с большими скоростями проходят реакции на разделе фаз жидкий металл - газ, жидкий шлак - газ, шлак - металл;

-малая продолжительность реакций из-за скоротечности процессов нагрева и охлаждения (τ_ср=0,001 – 1,5 с при ЭШС). При таком времени реакций химический процесс не успевает дойти до равновесного состояния. В зоне сварки присутствуют исходные продукты и продукты реакции;

-окончательное формирование химического состава материала шва происходит только после его затвердевания.

11. Закон действующих масс и константа равновесия химических реакций и их применение при анализе сварочных процессов.

Общая формула

где

a_i — активности веществ, выраженные через концентрации, парциальные давления либо мольные доли;

ν_i — стехиометрический коэффициент (для исходных веществ принимается отрицательным, для продуктов — положительным);

K_c — константа химического равновесия

На практике в расчётах, не требующих особой точности, значения активности обычно заменяются на соответствующие значения концентраций (для реакций в растворах) либо парциальных давлений (для реакций между газами).

Пример: для стандартной реакции

константа химического равновесия определяется по формуле

При постоянной температуре отношение равновесных концентраций (парциальных давлений) конечных продуктов к равновесным концентрациям (парциальным давлениям) исходных реагентов, возведенных соответственно в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам, величина постоянная