Кратковременность процесса сварки и малый объем расплав­ленного металла значительно осложняют изучение протекающих при сварке реакций и позволяют лишь приближенно (по анали­зам начального и конечного состояний си­стемы и, отчасти, по аналогии с процессами большой металлургии) судить о явлениях, происходящих в сварочной ванне. /-

При газовой сварке на расплавленный металл ванны активно воздействует газо­вый поток средней зоны пламени, содержа­щей в основном СО и Нг и частично пары воды, а также СО2, Н, О2 и N2. В средней зоне пламени возможно также наличие в незначительном количестве свободного уг­лерода, не успевшего полностью окислиться в СО на границе ядра пламени. ■ Характер протекающих в сварочной ванне реакций определяется составом средней зоны пламени, зависящим от со­отношения газов в горючей смеси. Основные реакции сварочной ванны —реакции окисления и восстановления. Для примера рас­смотрим восстановление газами средней зоны нормальною пла­мени окислов железа при сварке низкоуглеродистой стали — металла, наиболее широко применяемого в производстве.

При сварке стали реакции окисления и восстановления проте­кают в двух фазах, из которых одна газовая, а другая жидкий ме­таллический раствор (рис. 42). В этом случае условия равновесия определяются двумя степенями свободы, упругость диссоциации будет функцией температуры и концентрации окисла в растворе:

Pot = f(T1 [FeO]).

Для реакции 2Fe + 02 ^2 [FeO]

жидкое газ растворенная в Fe константу равновесия можно выразить в виде

к mYa>

ЛР [FeO]1 *

В этом случае

Кр

_• ( ,Y ' /%СОаа

■ = К pfeV - ИЛИ

так как количества газов (в объемных процентах) в газовой смеси практически относятся так же, как парциальные давления.

Условием равновесия будет

К /%со2у>

лр.%СО) •

Заменив отношение постоянных при данной температуре величин Кр и ро2 через К, получим

%со _ v

flFe° %С03 l’

что соответствует константе равновесия реакции восстановления за­киси железа в растворе окисью углерода:

[FeOJ + CO^Fe+COa.

Таким образом, концентра­ция СО в газовой смеси, необхо­димая для восстановления FeO, есть функция концентрации FeO в растворе (рис. 44).

Однако полное восстановле­ние FeO в растворе изменением состава газовой смеси достигнуто быть не может, так как если а-> о, то %СО 100. Выска­занное положение хорошо со-

гласуется с практикой газовой сварки, при которой полного рас­кисления металла не достигается. Этот вывод справедлив и для водорода.

Восстановление закиси железа водородом протекает аналогично разобранному выше случаю восстановления закиси железа окисью углерода. При восстановлении водородом равновесие наступает при условии, что

Ро, = Ро2

над раствором в системе

FeO Н2-НаО ’

Константа равновесия реакции восстановления закиси железа водородом

lFeO] + Ha£Fe+HjO

может быть выражена

п — к

аре° — %Н20

Избыток водорода в средней зоне пламени не желателен, так как с повышением температуры растворимость водорода в железе растет. Растворимость водорода в твердом железе невелика, но при пе­реходе металла из твердого состояния в жидкое она резко воз­растает (рис. 45).

По мере остывания сварочной ванны происходит выделение водорода из металла, причем чем больше скорость охлаждения металла, тем больше водорода остается в металле шва в виде мел­ких газовых пузырей. Однако для процесса' газовой сварки харак­терно относительно медленное охлаждение металла, благодаря чему водород и другие газы, как правило, успевают выделиться из сварочной ванны и металл шва получается достаточно плотным.