Глава 9испр1 (Вырезки в виде лекций)

8

Глава 9

Металлургические процессы при сварке плавлением.

Металлургические процессы при сварке осуществляют в более сложных, условиях по сравнению с металлургией выплавки сплавов. Их основные отличия:

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

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

3. – кратковременность существования металла в жидком реакционноспособном 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 настоящей главе рассмотрены процессы взаимодействия металлов в зоне 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 дугового разряда.

Температура газов и паров в столбе дуги достигает 6000К, что чрезвычайно усиливает их химическую активность и интенсифицирует процессы взаимодействие с металлами между отдельными составляющими газовой среды. Физико-химические процессы в металле, протекающие с участием газовой среды, оказывают большое влияние на качество сварки. К числу важнейших процессов относятся: диссоциация и ионизация газов, их растворение в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с. металлом.

1. Степень диссоциации и ионизации газов в дуге.

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

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

Н₂ + Q₁ → 2Н; Q₁ = 434 кДж/моль; (9.1)

O₂ + Q₂ → 2O; Q₂ = 796 кДж/моль; (9.2)

N₂ + Q₃ → 2N; Q₃ = 714 кДж/моль; (9.3)

Отсюда видно, что энергия Q, затрачиваемая на диссоциацию молекулы азота, наиболее высока и потому молекула его — самая прочная. В одинаковых условиях азот должен диссоциировать меньше, чем кислород и водород. Это повышает парциальное давление атомов O₂ и Н₂ в смеси.

Степень диссоциации в зависимости от температуры описывается константой равновесия для процесса диссоциации, например водорода, по уравнению (9.1). При постоянном давлении р она равна отношению парциального давления продуктов диссоциации ( ) и исходных продуктов ( ) с учетом стехиометрических коэффициентов:

(9.4)

Если учесть, что при степени диссоциации α один объем газа Н₂ превращается в смесь полученных продуктов распада 2α и остатка исходных 1 – α, то согласно расчетам, проведенным в главе 8.8:

(9.5)

Для количественного расчета зависимости К_р и α от температуры используют типовые реакции, номограммы и формулы диссоциации газов, согласно таблице 8.4, а значения Кр определяют по формуле Улиха и рассчитывают по формуле Вант-Гоффа:

(9.6)

Для определения К_р также используют эмпирические формулы, например, для реакции диссоциации молекулярного водорода — приближенное уравнение Нернста:

(9.7)

Следовательно, задаваясь значе­ниями температуры при постоян­ном давлении р, можно для соот­ветствующего газа установить ве­личину К_р, а затем, пользуясь вы­ражением (9.6),— и степень дис­социации этого газа при выбран­ной температуре. Если принять, что температура столба дуги составляет в среднем 5000К, то для молекул водорода расчеты дадут α = 0,96, а для молекул азота α = 0,038.

На рисунке 9.1. представлена зависимость степени диссоциации газов и паров, имеющих место в зоне дугового разряда от температуры. Из рисунка следует, что при температуре выше 5000К все газы и пары практически полностью диссоциированы, т.е. находятся активном реакционном состоянии.

Диссоциация двухатомных газов в зоне сварки имеет большое значение, поскольку:

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

2. атомы газа в зоне дуги претерпевают, после диссоциации, термическую ионизацию, т.е. становятся ионами и перемещаются соответственно зарядам к аноду или катоду: к электроду или ванне, что усиливает их растворимость в металле. Степень термической ионизации различных газов и паров в среде дугового разряда приведена на рис. 9.2;

3. 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 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 ванны, имеющему меньшую температуру.

Аналогично двухатомным газам протекает диссоциация трехатомных газов, из которых в сварочных процессах обычно участвуют пары воды и углекислый газ, входящие в состав атмосферы. Водяной пар диссоциирует по уравнению

2Н₂O+Q ↔ 2Н₂ + Q₂; Q=485,5 кДж/моль. (9.8)

Для этой реакции зависимость между степенью диссоциации и константой равновесия дана в виде номограммы на рис. 8.8.

Кроме того, константа равновесия этой реакции может быть подсчитана по приближенному уравнению Д. Чипмена и А. М. Самарина:

(9.9)

Приняв во внимание, что одновременно при диссоциации выделяются водород и кислород, то можно заключить, что диссоциация водяных паров в зависимости от условий протекания реакции без участия атмосферного кислорода будет создавать для жидкого металла окислительную или восстановительную среду. Если упругость диссоциации кислорода, выделяющегося из водяного пара, превышает упругость диссоциации оксида конкретного металла , металл буде окисляться за счет кислорода диссоциированного водяного пара:

Me + Н₂О → МеО + Н₂.

Если же упругость диссоциации кислорода водяного пара меньше упругости диссоциации оксида металла реакция будет идти в обратном направлении, т.е. металл будет восстанавливаться из оксида водородом диссоциированного водяного пара:

МеО + Н₂ Me + Н₂О.

С увеличением температуры степень диссоциации водяных паров увеличивается и при 5000 °К приближается к единице. Следует учесть, что обычно концентрация паров воды в воздухе недостаточна, чтобы обеспечить восстановление металлов. Однако, сварка в сухом водяном паре в принципе возможна для углеродистых сталей.

Углекислый газ при высоких температурах также активно дис­социирует по реакции

СО₂+Q ↔ СО +0,5 О₂ ; Q = 289 кДж/моль. (9.10)

Зависимость константы равновесия этой реакции от температуры определяется по формуле Вант-Гоффа либо из приближенного уравнения Д. Чипмена и А. М. Самарина

(9.11)

где р_со, р_О2, Рсо₂ — парциальные давления соответственно газов

СО, О₂ и СО₂; Т — абсолютная температура, К.

Итак, задаваясь температурами, с помощью уравнения (9.11) или пользуясь номограммой (рис. 8.8) можно определить степень диссоциации и соответствующий им состав газов. На рис. 9.3 приведен результат таких расчетов для интервала 1800—4000 К. Как видим, в области температур более 4000 К углекислый газ почти полностью диссоциирован, а вблизи поверхности сварочной ванны (при температуре 1800—2000 К) диссоциация его незначительна.

В зависимости от соотношения упругости диссоциации кислорода из оксида и из CO₂ направление реакции (9.10) может определять окислительный или восстановительный характер диссоциированного углекислого газа. Если , то будут развиваться окислительные процессы, т. е.

Me + CO₂ → МеО + СО.

При та же среда проявляет восстановительные свойства:

МеО + СО → Me + СО₂.

Парциальное давление кислорода в реакции (9.10) зависит от температуры, давления и соотношения концентраций СО₂ и СО:

(9.12)

Это значит, что с увеличением температуры Т и отношения , а также с уменьшением давления р в системе, растет окислительная способность с диссоциированного углекислого газа. Лишь при сварке угольным электродом, что имеет место при дуговой сварке, наличие паров твердого углерода весьма существенно снижает эту способность, так как энергично развивается реакция

СО₂+С+Q ↔2СО; Q = 142,6 кДж/моль. (9.13)

На рис. 9.4 дана кривая зависимости содержания СО от тем­пературы в присутствии паров твердого углерода. Уже при 1100К содержание СО в газовой смеси приближается к 100%. Следовательно, создается восстановительная для металла среда и становится воз­можной реакция типа

FеО + СО ↔ Fе + СО₂.

1. Образование соединений между компонентами газовой смеси.

Наряду с диссоциацией простых и сложных молекулярных газов, для высоких температур характерно образование молекул газа при протекании эндотермических реакций кислорода и водорода с другими газами: азотом, водородом и фтором. Так N₂ и О₂ при Т = 3500К взаимодействуют с образованием NO по реакции, которая сопровождается поглощением тепла:

N₂ + О₂↔2NO — 181,4 кДж/моль. (9.14)