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:

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

8. 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 водорода на свойства стали

Водород может оказывать двоякое действие на металл:

1.Защищает от окисления и насыщения кислородом и азотом; восстанавливает металл из оксидов.

2. Растворяясь в металле, становится причиной пористости и трещин.

Атомарный водород Н растворяется как в твердом, так и особенно сильно в жидком железе. Наиболее значительное насыщение водородом происходит в процессе переноса капель.

Образование в газовой среде соединений ОН и НF, нерастворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.

Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействуют с кислородом:

2[H] + [H] → H₂O ↑; где квадратные скобки означают растворенные в металле элементы

[H] + [O] → OH ↑; [H]*[O] = const. Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концентрацию Н.

Не успевший выделиться при быстром охлаждении водород задерживается в ветвях дендридов и у поверхностей кристаллов. Здесь атомы воссоединяются в молекулы, парциальное давление атомарного водорода резко снижается, и он продолжает сюда диффундировать. Молекулярный водород создает большие давления, т.к. не растворим в металле так же как и водяной пар, в который окислиться водород. В металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению пластических свойств и к хрупкому разрушению.

Особенно опасно наличие водорода в легированных сталях (С, Ni, Mn и др.), увеличивающих его растворимость. Вследствие разновременности полиморфных превращений γ-железа в шве и в основном металле в переходной зоне скапливается водород и возникают трещины.