Поглощение азота на катоде при сварке плавящимся электродом

При изучении механизма поглощения газов расплавленным металлом при сварке весьма важно узнать, какую роль при этом играют нейтральные и электрически заряженные частицы.

Вероятность термической ионизации азота при температурах сварочных дуг между железными электродами очень мала. Отношение доли молекул и атомов азота к доле ионов азота N⁺ в азотной плазме при Т = 5000 и 6500 К составляет 0,5·10⁵ и0,38·10⁴, а соотношения ионов железа и азота в дуге приблизительно равно 10⁴.

Доля ионов , , в общем количество частиц, участвующих в переносе зарядов, мала.

Расчетные опыты показывают, что при энергиях, используемых в дуговой сварке, внедрение ионов азота в материал катода под действием электрического поля маловероятно, и доля азота в металле капель-катодов, поглощенного ими из атмосферы дуги электрически (переносом ионов), в общем содержание азота в каплях невелика.

Особенностью дуговой сварки является контактирование электродного металла и ванны с газами, нагретыми до температур, превышающих температуру расплавленного металла. Азот в дуге частично диссоциирован. Атомарный азот вместе с потоком газов попадает на поверхность более холодного металла, не успевая полностью ассоциироваться в молекулы. Скорость поглощения атомарного азота на много порядков выше, чем молекулярного, поэтому при сравнительно малом времени взаимодействия металл капель успевает поглотить значительные количества его.

Режим сварки и полярность оказывают большое влияние на температуру газа и металла, а также на условия их контактирования. При сварке в защитных газах на прямой полярности катодное пятно в основном находится на поверхности проволоки. Капля как бы омывается в активно атомарной форме. На обратной полярности анодное пятно малоподвижно и постоянно находится в капле. С каплями контактирует в основном молекулярный азот. С повышением силы тока температура капель на прямой полярности увеличивается. Одновременно растет температура дуги и степень диссоциации азота.

Схема плавления электрода:

а – обратная полярность; б – прямая полярность; 1 – электрод; 2 – капля; 3а – анодное пятно; 3б – катодное пятно; (заштрихованная область перемещения катодного пятна по проволоке); 4 – столб дуги (штриховыми линиями показаны положения столба дуги в отдельные моменты, когда катодное пятна находится на капле); 5 – ванна, стрелками указано направление потока газов.

Растворимость азота в металле зависит от его состава и температуры. В малоуглеродистой стали растворимость N₂ с увеличением температуры растет, достигая максимума (0,0059%) при 2570 – 2670 К. В стали ОХ18Н9 максимальная растворимость N₂ при Т = 1870 – 2070 К.