Глава 9. Физико-химические

И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Металлургические процессы при сварке плавлением протекают в более сложных условиях по сравнению с условиями выплавки сплавов, поскольку для сварки плавлением характерны:

1. аномально высокая температура (Т≥ Т_кип) перегрева металла;

2. взаимодействие с газовой средой и флюсами, обладающими высокой химической активностью в условиях дугового разряда;

3. кратковременность существования металла в жидком реак-ционноспособном состоянии, ограничивающая эффективность ти­повых металлургических методов обработки металла для сохране­ния его качества;

4. одновременность процессов окисления, раскисления, леги­рования и рафинирования в сварочной ванне;

5) специфичность процессов направленной кристаллизации сварочной ванны, усиливающих ликвацию в металле шва и его структурную неоднородность.

В данной главе рассмотрим процессы взаимодействия метал­лов в зоне столба дуги с атмосферными газами и защитными сре­дами, а также методы металлургического воздействия, которые позволяют сохранить исходные свойства различных металлов в сварном соединении.

9.1. Анализ состава газовой фазы в зоне столба дуги

Температура газов и паров в столбе дуги достигает 6000 К, что чрезвычайно усиливает их химическую активность и интенсифици­рует процессы взаимодействия с металлами и между собой отдель­ных компонентов газовой среды. Кроме того, активация взаимодействия газов с металлом обу­словлена высокой температу­рой металла в месте сварива­ния. Принято различать две зоны (рис. 9.1): зона1 высоких температур, достигающих тем­пературы кипения, и зона 2 пониженных температур, приб­лижающихся к температуре плавления. В высокотемпера­турную зону входят капля на электроде, капля, проходящая столб дугового разряда, и ак­тивное пятно на передней стенке сварочной ванны. Кроме того, взаимодействие металла с газами в зоне дуги усиливается электри­ческим потенциалом между анодом и катодом и движением заряженных газовых частиц в электрическом поле дуги.

Чрезвычайно важную роль играет и интенсивное перемешива­ние жидкого металла сварочной ванны (рис. 9.2), увеличивающее площадь соприкосновения газа с жидким металлом и его распре­деление по объему в зоне пониженных температур. Физико-химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварных соедине­ний. Важнейшими из этих процессов являются диссоциация и ио­низация газов, растворение газов в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодейст­вии с металлом.

9.1.1. Степень диссоциации атмосферных газов в дуге

Высокая температура газов в зоне сварки создает условия для распада газовых молекул - диссоциации газов. Эти процессы со­провождаются поглощением теплоты Q диссоциации, т. е. являют­ся эндотермическими, быстроразвивающимися при высоких тем­пературах.

Диссоциацию простых двухатомных газов — водорода, кисло­рода и азота — можно описать следующими уравнениями:

(9.3)

Отсюда следует, что поскольку энергия Q_{3 ,} затрачиваемая на дис­социацию молекулы азота, имеет наибольшее значение, его моле­кула - самая прочная. Азот должен диссоциировать в меньшей степени, чем кислород и водород в тех же условиях. Вследствие более интенсивной диссоциации парциальные давления атомар­ных частиц О₂ и Н₂ в смеси выше, чем парциальное давление N₂.

Степень диссоциации для данной температуры описывается константой равновесия К_p Для процесса диссоциации, например водорода (см. (9.1)), при постоянном давлении р она равна отно­шению парциальных давлений продукта диссоциации (р_H) и ис­ходного продукта (р_H2 ) с учетом стехиометрических коэффици­ентов, т. е.

(9-4)

Если учесть, что при степени диссоциации а один объем газа Н₂ превращается в смесь, состоящую из полученных продуктов распада (2α) и остатка исходных веществ (1 - α), то согласно рас­четам, выполненным в разд. 8.9,

(9.5)

где р - внешнее давление.

Для определения зависимости К_p и α от температуры исполь­зуют типовые реакции, номограммы и формулы диссоциации га­зов, приведенные в табл. 8.4, а значения К_p рассчитывают по формуле Вант-Гоффа (8.42):

Для вычисления К_p также используют эмпирические форму­лы, например для реакции диссоциации молекулярного водорода -приближенное уравнение Нернста

(9.7)

Следовательно, задавая значения температуры при постоянном давлении р, можно по эмпирической формуле для соответст­вующего газа вычислить величину К_p, а затем, пользуясь выра­жением (9.6), - и степень диссоциации этого газа при выбранной температуре. Если принять, что температура газов в столбе дуги составляет в среднем 5000 К, то в результате расчетов получим: Для молекул водорода α = 0,96, а для молекул азота α = 0,038.

На рис. 8.9, а приведены графические зависимости степени Диссоциации некоторых газов и паров в зоне столба дуги от тем­пературы. Из рисунка следует, что при температуре выше 5000 К все представленные газы и пары имеют значительную степень Диссоциации, т. е. находятся в активном реакционном состоянии.

Диссоциация двухатомных газов в зоне сварки имеет большое значение по следующим причинам:

- в атомарном состоянии газы приобретают высокую химиче­скую активность и легко взаимодействуют с расплавленным ме­таллом капель и сварочной ванны;

• атомы газа в зоне столба дуги после диссоциации претерпе­вают термическую ионизацию. Они становятся ионами и переме­щаются в соответствии со своими зарядами к аноду или катоду, т. е. к электроду или к сварочной ванне, что усиливает их раство­римость в металле. Зависимость степени термической ионизации различных газов и паров в среде дугового разряда от температуры, полученная по уравнению Саха, приведена на рис. 8,9, б;

• параллельно с диссоциацией газов, протекающей в зоне вы­соких температур с поглощением тепла, вблизи сварочной ванны, где температура значительно ниже, идет обратный процесс обра­зования молекул из ионов атомов, сопровождающийся выделени­ем тепла. Благодаря этим двум процессам осуществляется своеоб­разное регулирование теплового состояния в зоне сварки - пере­нос тепла от участка высоких температур столба дуги к жидкому металлу сварочной ванны, имеющему меньшую температуру.

Аналогично диссоциации двухатомных газов протекает диссо­циация трехатомных газов, которые в сварочных процессах обыч­но представлены водяным паром и углекислым газом, входящими в состав атмосферы. Водяной пар диссоциирует по реакции:

(9.8)

для которой зависимость между степенью диссоциации и констан­той равновесия представлена в виде номограммы на рис. 8.8.

Кроме того, константа равновесия реакции (9.8) при р = 1 мо­жет быть подсчитана по эмпирическому уравнению Чипмена -Самарина:

(9.9)

Приняв во внимание, что одновременно при диссоциации вы­деляются водород и кислород, можно заключить, что диссоциация водяных паров в зависимости от условий протекания реакции (9.8) без участия атмосферного кислорода будет создавать для различ­ных металлов окислительный или восстановительный характер среды. Если упругость диссоциации кислорода, выделяющегося из водяного пара, превышает упругость диссоциации кислорода из оксида металла (р^H2O _O2 > р^MeO_O2 ), металл будет окисляться за счет кислорода диссоциированного водяного пара:

^H2O

Если же упругость диссоциации кислорода из водяного пара меньше упругости диссоциации кислорода из оксида металла (р^H2O_O2< р^MeO_O2 ), реакция будет идти в обратном направлении, т. е. металл будет восстанавливаться из оксида водородом диссоцииро­ванного водяного пара:

С повышением температуры степень диссоциации водяных па­ров увеличивается и при 5000 К приближается к единице. Следует учесть, что обычно концентрация водяного пара в воздухе не явля­ется достаточной, чтобы обеспечить восстановление металлов. Однако сварка в специально полученном так называемом сухом водяном паре, не содержащем атмосферного кислорода, в принци­пе возможна - для углеродистых сталей.

Углекислый газ при высоких температурах также активно дис­социирует по реакции

(9.10)

Зависимость константы равновесия реакции (9.10) от темпера­туры определяется по формуле Вант-Гоффа (8.42) либо при р = 1 по уравнению Чипмена - Самарина

(9.11)

где р_CO, р_O2, р_CO2 - парциальные давления соответственно газов

СО, O₂ и СO₂.

Итак, задавая значения температуры, с помощью уравнений (9.11) и (9.6) или номограммы (см. рис. 8.8) можно определить константы равновесия, степень диссоциации и соответствующий состав газов. На рис. 9.3 приведен результат таких расчетов для интервала 1800...4000 К. Как видим, в области температур около 4000 К углекислый газ почти полностью диссоциирован, а вблизи поверхности сварочной ванны (при температуре 1800...2000 К) его степень диссоциации незначительна.

Взависимости от соотношения упругости диссоциации кисло­рода из оксида и из СO₂ направление реакции (9.10) определяет окислительный или восстано­вительный характер среды, создаваемой для жидкой сва­рочной ванны при диссоциа­ции углекислого газа. Если упругость диссоциации кисло­рода из оксида металла мень­ше, чем из углекислого газа, то в среде бу­дут развиваться окислитель­ные процессы, т. е.

При обратном соотношении упрутостейдиссоциации та же среда проявляет восстановительные свойства:

Парциальное давление кислорода в реакции (9.10) зависит от температуры, давления и соотношения концентраций СO₂ и СО, т. е.

(9.12)

Это значит, что с увеличением температуры Т и отношения а также согласно выражению (9.6) при уменьшении давле­ния р в системе растет окислительная способность диссоциирую­щего углекислого газа. Лишь при дуговой сварке неплавящимся, но испаряющимся угольным электродом наличие паров твердого углерода весьма существенно снижает эту способность, так как энергично развивается реакция

(9.13)

На рис. 9.4 дан график зави­симости содержания СО от тем­пературы в присутствии паров твердого углерода. Уже при температуре 1100 К содержание СО в газовой смеси приближа­ется к 100 %. Следовательно, создается восстановительная для металла среда и становится возможной, например, реакция восстановления оксидов железа:

Поэтому при сварке сталей угольным электродом не требу­ется дополнительной защиты газом или флюсом.