9.1.2. Образование соединений между компонентами газовой смеси

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных га­зов для высоких температур сварки плавлением характерно обра­зование молекул газа в эндотермических реакциях при взаимодей­ствии кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором. Например, азот N₂ и кислород О₂ при Т= 3500 К взаи­модействуют с образованием оксида азота NO по реакции, которая сопровождается поглощением тепла:

(9.14)

Образующийся оксид азота может существовать в нераспавшемся виде при пониженных температурах (Г< 3500 К). В контак­те с металлом ванны при температурах 1800... 1900 К он распадает­ся и играет существенную роль как окислитель; он передает атомы кислорода и азота на поверхность жидкого металла. По мнению многих исследователей, оксид азота одновременно передает азот и кислород расплавленному металлу. Подтверждением этому слу­жит тот факт (рис 9.5), что с увеличением кислорода в газовой среде растет и насыщение металла азотом, хотя степень его диссо­циации невелика (см. рис. 8.9).

В низкотемпературной зоне также происходят реакции образо­вания соединений ОН и фтористого водорода HF, не растворимых в металле. Эти реакции используют для снижения парциального давления водорода над сварочной ванной.

9.1.3. Насыщение расплавленного металла газами в капле и сварной ванне

В жидком металле капель и сварочной ванны происходят про­цессы растворения газов столба дуги. В сварочной ванне эти про­цессы протекают менее интенсивно, чем в каплях, по следующим причинам:

1. температура жидкого металла в сварочной ванне ниже, чем в каплях, где она приближается к температуре кипения металла;

2. для сварочной ванны отношение поверхности реакции к объему значительно меньше, чем для капель.

Растворимость газа в жидком металле также зависит от его парциального давления и состояния. Если газ находится в атомар­ном состоянии, то его растворимость в металле [Г] при Т = const согласно закону Генри прямо пропорциональна его давлению ([Г] = К₁ р_г), а растворимость двухатомных газов, находящихся в молекулярном состоянии, подчиняется закону Сивертса ([Г₂] = К₂√р_г2), т.е. прямо пропорциональна корню квадратному из давления газа.

Количество растворяющегося в металле газа [С]_г для большин­ства металлов увеличивается с ростом температуры по следующей зависимости:

(9.15)

где А и к - константы; Е - теплота растворения газа в металле.

Из уравнения (9.15) следует, что с увеличением температуры металла повышается и содержание растворенного в нем газа, при­чем в каплях оно может быть значительным. Однако нельзя забы­вать, что при температурах, близких к температуре кипения ме­талла, имеет место и обратный процесс: содержание газа в металле заметно падает и в момент кипения становится равным нулю, по­скольку образуется много паров металла, а парциальное давление газа при этом снижается.

Процесс растворения газов в жидком металле состоит из от­дельных, протекающих последовательно стадий (подробно рас­смотренных в гл. 8):

• адсорбции атомов газа поверхностью металла капли и сва­рочной ванны;

• взаимодействия адсорбированного газа в поверхностном слое с металлом, т. е. образования растворов и химических соединений (этот процесс называется хемосорбцией);

• отвода продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла.

Адсорбция и хемосорбция протекают с очень большими скоро­стями - практически мгновенно. Отвод продуктов хемосорбции в глубь жидкого металла происходит с меньшей скоростью. На этой стадии процесса растворения газов в жидком металла большую роль играет механическое перемешивание. При сварке оно прояв­ляется довольно значительно вследствие интенсивного турбулент­ного движения расплава (из головной части сварочной ванны в хвостовую, см. рис. 9.2), обусловленного давлением дуги на жидкий металл. Наибольшее насыщение металла газом происхо­дит в каплях. Оно зависит от длительности пребывания капли на торце электрода и времени ее пролета через столб дуги, а также от температуры капли. Температура, максимальная при коротком за­мыкании столба дуги каплей, зависит от состава газовой среды. По данным А.Я. Ищенко, в условиях сварки в аргоне при I_св = 400 А алюминиевого сплава АМг6, плавящегося при ~ 970 К, температу­ра капель достигает 2100 К, а при сварке в гелии - значительно меньшего значения: 1900 К.

Рассмотренная схема растворения атомарных газов в металле, в основе которой лежит закон Генри, получила название химиче­ского поглощения газов металлом.

Максимальное насыщение газов в твердом или жидком метал­ле достигается в равновесном состоянии. Его зависимости при нормальном давлении от температуры и фазового состояния дляFe, A1, Сu, Ni и Ti представлены на рис. 9.6 и 9.7. Из рис. 9.6 сле­дует, что равновесная растворимость атмосферных газов при нормальном давлении в алюминии А1, меди Сu, никеле Ni существен­но зависит от температуры и агре­гатного состояния металла (при температуре кристаллизации рас­творимость Н₂ в А1 падает от 0,69 до 0,036 см³ /100 г), а их раствори­мость в железе - и от фазовой мо­дификации: Fe_α , Fe_γ, Fe_δ.

При электродуговой сварке на­личие электрического поля создаст возможность электрического по­глощения газов металлом. Оно на­блюдается только у поверхности катода а области активного пятна, куда внедряются положитель­ные ионы газов, переносящие заряды столба дуги. Наличие у по­верхности катода слоя положительных ионов повышенной концентрации приводит к их перемещению в объем металла диффузи­онным путем вследствие выравнивания разности концентраций (по механизму концентрационной диффузии). Поэтому при сварке на обратной полярности («+» на электроде) в капле растворяется меньше водорода. Это снизит концентрацию Н₂ и в ванне. Степень развития электрического поглощения газов металлом зависит так­же от значения катодного падения потенциала, состава газовой среды, силы тока и других факторов.