8.2 Газова фаза

У зоні зварювання розглядається взаємодія трьох фаз: газової, шлакової, металевої.

У газовій фазі відбуваються наступні процеси:

— дисоціація газів;

— насичення рідкого металу газами;

— хімічні реакції у середині газової фази.

8.2.1 Дисоціація газів

Найбільший вплив на властивості металу має дисоціація двох та трьох атомних газів. У загальному випадку реакції дисоціації ендотермічні (з поглинанням теплоти). Джерело теплоти — електрична дуга.

, (8.1)

, (8.2)

, (8.3)

де Q — енергія дисоціації (Q₁ < Q₂ < Q₃), тобто молекула азоту

найбільш міцна.

Для оцінки процесу дисоціації визначають ступінь дисоціації

, (8.4)

де — ступінь дисоціації;

К _р — константа рівноваги (визначається емпірично);

р — тиск.

Наприклад, К _р можна визначити емпіричним виразом Нернста

. (8.5)

Вплив процесу дисоціації на властивості сталей пов’язано з тим, що гази в атомарному стані мають велику хімічну активність та легко вступають до реакції з металом у зоні зварювання. Процес реакції іде в зоні найбільш високих температур. У прилеглих зонах іде зворотній процес виникнення молекул (екзотермічний процес). Завдяки цим двом процесам іде регулювання теплового стану у зоні зварювання.

Майже так само протікає процес дисоціації трьох атомних газів

(частіше усього в зоні зварювання присутні H₂O та СО₂).

В залежності від умов може виникнути:

— окиснювальне середовище;

— відновне середовище.

Дисоціація Н₂О.

. (8.6)

Якщо пружність дисоціації оксиду металу менше пружності дисоціації парів води , то виникає окиснювальне середовище

. (8.7)

Якщо пружність дисоціації оксиду металу більше пружності дисоціації парів води , то виникає відновне середовище

. (8.8)

Дисоціація СО₂.

. (8.9)

CO має відновні властивості. СО₂ має окиснювальні властивості. При збільшенні температури та відношення / , а також зменшенні тиску, утворюється окиснювальне середовище. Якщо процес дугового зварювання іде у присутності вуглецю (вугільний електрод), то іде реакція

. (8.10)

При зварюванні у СО₂ при Т = 1100 K весь газ буде складатися з СО і у зоні зварювання іде реакція відновлення металу з оксиду

. (8.11)

Окрім дисоціації двох та трьох атомних газів у зоні зварювання іде

процес окиснення азоту

. (8.12)

NO володіє окиснювальними властивостями та може існувати, як у нагрітому, так і в охолодженому металі шва.

8.2.2 Насичення металу газами

У зоні зварювання насичення металу газами може відбуватися:

— у краплях;

— у зварювальній ванні.

Розчинення газу в металі залежить від:

1) тиску у газовій атмосфері: для одноатомних газів розчинення газу у металі пропорційне тиску (закон Генрі), для двоатомних газів розчинення приблизно пропорційне квадратному кореню з тиску газу (закон Сіверста);

2) температури: кількість розчиненого газу визначається

, (8.13)

де a, K — константи;

E — теплота розчинення;

T — абсолютна температура.

Чим більша температура, тим більше розчинність газу;

3) відношення поверхні реакції до об’єму, в якому ця реакція реалізується: чим воно більше, тим більше газу розчинюється в металі. Температура краплі та це відношення більше для каплі, тому насичення металу газами іде переважно у краплі.

Сам процес розчинення газів в металі проходить у вигляді таких стадій:

1. Газ адсорбується на поверхні рідкого металу.

2. Етап хемосорбції — газ взаємодіє у поверхневому шарі з металом з утворенням твердих розчинів, хімічних з’єднань.

3. Відведення продуктів хемосорбції у глиб рідкого металу.

Цей механізм має назву хімічного поглинання газу металом. На процес розчинення газу в металі можуть впливати електричні поля. В зоні активної плями катоду під впливом електричного поля відбувається впровадження позитивних іонів — електричне поглинання.