Окисление и диссоциация оксидов при сварке и пайке.

Окисление – это реакция образования.

Восстановление – обратимая реакция диссоциации окислов.

Т.к. оксид и металл находятся в твёрдом состоянии то константа равновесия:

Величина равновесного парциального давления кислорода, зависящая от температуры называется упругостью диссоциации оксида. Упругость диссоциации химического соединения – концентрация единственного газообразного компонента в равновесной системе.

Чем меньше значение упругой диссоциации оксида, тем прочнее это соединение. При прочих равных условиях давление (концентрация) свободного кислорода, отвеч. сост. равновесия химической реакции, тем большее его количество связано в оксид и тем легче он образуется. Чем больше давление свободного O₂, тем меньше сродство элемента к кислороду.

Когда упругость диссоциации оксида сравнивается с внешним давлением окисление прекращается и начинается диссоциация. Если в систему входят 2 Ме, кислород, образующийся при диссоциации окисла Ме, у которого при данной температуре упругость диссоциации оксида выше, будет соединятся с другим Ме по реакции: Ме_II по отношению к Ме_I является раскислителем. Чем меньше упругость диссоциации оксида, тем больше сродство Ме с O₂, тем выше его химическая активность.

Большинство промышленных Ме и сплавов растворяют свои окислы, следовательно очистка Ме сварного соединения от его окислов является актуальной задачей.

При диссоциации окислов в растворе (сварочная ванна) возможно изменение концентрации как окисла, так и самого Ме. Тогда равновесие системы

будет при a_Me и a_MeO – активность окисла и Ме в раств. пропорц. концентрации ???, - упругость диссоциации чистого оксида элемента.

Упругость диссоциации оксида Ме в растворе :

Т.к. К_Р реакции равна упругости диссоциации того же оксида в чистом виде, то заменяя К_Р на получим

Если концентрация окислов ® 0, то концентрация окислов в растворе ® 0.

Вывод: это значит, что чистый Ме способен растворять свои оксиды и обладает бесконечным сродством к кислороду. В реальных условиях сварки, большинство конструкционных Ме будет подвергаться окислению, т.е. количество О₂ в них можно снизить только металлургическим путём раскисления.

Упругость диссоциации оксида элемента, находящегося в растворе зависит не только от природы оксида и от температуры, но и от активности или концентрации элемента в растворе. С увеличением величины активности элемента упругость диссоциации его оксида уменьшается, а прочность оксида возрастает. Поэтому при сварке, введя в жидкий Ме большее количество раскислителя, мы способствуем более полному связыванию О₂ в оксид. Вследствие малого удельного веса и нерастворимости эти оксиды всплывают на поверхность сварочной ванны образуя шлак.

19. Строение электрической дуги. Виды электрических дуг, применяемых в сва­рочных процессах.

Виды электрических дуг, применяемых в сварочных процессах.

1) Неподвижная открытая дуга прямого действия.

1 – электрод;

2 – катодная область;

3 – столб дуги;

4 – факел дуги;

5 – анодная область;

6 – изделие.

Столб дуги – концентрированный поток плазмы, через которую проходит основная часть сварочного тока. По сравнению с другими областями сварочной дуги он имеет самую высокую температуру, которая зависит от материала электрода и состава газовой среды:

· W электрод в Ar – 1500°К

· угольный электрод на воздухе – 6000°К

Вокруг столба дуги виден ореол – факел дуги. Это поток раскалённых газов и паров. Приэлектродные области 2 и 5 отличаются от столба дуги и факела тем, что в них происходит резкое изменение состава вещества и характера заряженных частиц. На поверхности электрода в этих областях видны ярко светящиеся участки – анодная и катодная области. С поверхности катодного пятна происходит эмиссия электронов, а анодное пятно бомбардируется этими электронами.

2) Неподвижная открытая дуга косвенного действия.

1, 6 – электроды;

2 – анодная область;

3 – столб дуги;

4 – факел дуги;

5 – катодная область;

7 – изделие.

Косвенная дуга также состоит из приэлектродных анодной и катодной областей, столба дуги, газовых потоков, которые направлены вдоль осей электродов. Эти потоки не проводят сварочного тока. Условно их можно считать электронейтральными. В дуге прямого действия эти потоки сливаются со столбом дуги, а здесь они также образуют факел, но он не играет существенной роли при сварке.

Объяснение возникновения газовых потоков: 1)Гипотеза Столбова: взрывной эффект теплового расширения. 2) Действие электромагнитных сил:

Электромагнитные силы (пинч-эффект) возникают в результате того, что ток, проходящий через столб дуги, создаёт электромагнитное поле. Оно вокруг столба дуги и стремится его сжать с некоторой силой, причём там, где сечение столба равномерно. Сила F₂ уравновешивает внутренними упругими силами столба. Однако в приэлектродной области сечение столба дуги меньше и плотность тока выше, чем в середине столба дуги, следовательно, там сила F₁ больше, чем в столбе F₂. Создаётся градиент давления, возникает осевая сила Р и она создаёт движение газового потока. Если ось столба дуги и электрода совпадут, то газовый поток существует параллельно со столбом дуги. В косвенной дуге он также параллелен оси электрода, но не совпадает с осью столба дуги. Холодный газ в зоне дуги нагреваясь резко расширяется, разлетаясь во все стороны. Но в направлении оси электрода газовый поток охлаждается меньше, чем в других направлениях, поэтому он хотя бы в приэлектродной области совпадает со столбом дуги.

3) Движущаяся открытая дуга прямого действия.

В движущейся дуге столб дуги оказывается более инерционным, чем газовый поток и отстаёт от электрода, причём это отставание при больших скоростях сварки (100 м/ч W-Ar) составляет до 6 см. От приэлектродных областей отходят газовые потоки, причём поток от электрода нагревает металл и даже плавит его, а поток от приэлектродного пятна на детали уносит энергию бесполезно. Тепло, передаваемое детали столбом дуги, увеличивает глубину проплавления и даже перегревает расплавленный металл.