3. Основы металлургических процессов при сварке плавлением. Газовая фаза в зоне сварки

Физико-химические процессы (диссоциация газов, их растворение в жидком металле, химические реакции в газовой среде и при взаимодействии с металлом) оказывают большое влияние на процесс сварки и качество сварного соединения.

Диссоциация газов происходит при высоких температурах с поглощением тепла

2Н ↔ Н2 + 432,5 кДж/моль

2О ↔ О2 + 492 кДж/моль

2N ↔ N + 709 кДж/моль – молекула наиболее прочная

Константа равновесия процесса диссоциации при постоянном давлении Р например для водорода Н:

Кр = Р2Н /РН2

Для оценки диссоциации используют понятие степень диссоциации α – отношение диссоциировавших молекул к их первоначальному числу, которую определяют по уравнению Нернста:

LgKPH₂=22570/Т – 1,504*lgT – 0,767

Задаваясь Т при Р=const определяем Кр ,а затем и степень диссоциации α.

Важность диссоциации при сварке:

3. газы в атомарном состоянии более химически активны и мало взаимодействуют с расплавленным металлом капель и сварочной ванны;

4. диссоциация газов в области высоких температур дуги с поглощением тепла идет одновременно с обратным процессом вблизи сварочной ванны с выделением тепла. Т.е. существует перенос тепла.

Влияние кислорода на свойства стали

Изучение особенностей растворения О, О2 в железе способно раскрыть взаимодействия его со сталью, основой которой является железо.

Железо с кислородом образует три оксида:

2Fe + O2 ↔ 2FeO ( закись, содержащая 22,7% О2).

6FeO +O2 ↔ 2Fe3O4 ( закись-окись, содержащая 27,64% О2).

4Fe3O4 + O2 ↔6Fe2O 3 (окись, содержащая 30,06% О2).

Из них только закись FeO растворима в железе и наиболее сильно влияет на его свойства. Остальные оксиды в железе не растворяются, могут присутствовать только в виде включений и легко разлагаются при высоких температурах.

Растворимость кислорода:

при температурах от комнатных до 300º составляет 0,001%;

при температуре плавления составляет 0,16%.

Наличие в стали легирующих элементов влияет на растворимость кислорода (С и Si сильно сжимают растворимость О2 ). Кислород может окислять легирующие элементы:

С + О → СО;

Мn + O → MnO;

Si + 2O → SiO2.

Закись железа может взаимодействовать с легирующими элементами:

FeO + C ↔ CO + Fe;

FeO + Mn ↔ Mn + Fe;

2Fe O + Si ↔ SiO2 + 2Fe.

Кислород в стали ухудшает все свойства: пределы прочности σ_в и текучести σ_т , относительное удлинение δ,% и ударная вязкость α.

С ростом кислорода :

1. уменьшается стойкость против коррозии;

2. растет склонность к старению;

3. при О2 >0,08% возникает хладно и красноломкость;

4. усиливается рост зерен при нагреве;

5. ухудшается обрабатываемость резанием и ковка;

6. понижается магнитная проницаемость и увеличивается электрическое сопротивление.