Глава 1. Взаимодействие металла с водородом

У электродов с основным покрытием (крупнокапельный перенос) эта зависимость выражена значительно сильнее (2 К/А), При сварке электродами этого вида на малых токах зафиксирована наиболее низкая температура капель.

1.3. Математическое моделирование абсорбции газов металлом в процессе сварки

При дуговой сварке содержание газов в сталях часто бывает выше равновесных. Проведение экспериментов относительно взаимодействия газов с металлом на торце электрода и сварочной ванны в условиях дуговой сварки плавлением существенно усложняется из-за высоких температур, диссоциации и ионизированного состояния газа, высоких скоростей реакций. В этом случае для исследования абсорбции и десорбции газов железом целесообразно применять физические и математические модели. Математическое моделирование абсорбции водорода и азота металлом при сварке было осуществлено в работах [44, 45].

Физическая модель абсорбции газов. Абсорбция газа металлом состоит из нескольких стадий; движения* молекул газа к поверхности, диссоциации молекул на поверхности, адсорбции атомов металлической поверхностью и диффузии атомов в объем металла или расплава. Одновременно с процессом абсорбции происходит десорбция газа. Для описания распределения газа в металле необходимо определить общий поток газа через поверхность раздела фаз металл—газ в течение каждого момента времени на протяжении всего процесса. Общий поток газа, поступающего в металл, равен разнице между прямым (абсорбционным) и обратным (десорбционным) потоками. Прямой поток определяется состоянием поверхности металла и окружающей атмосферы, обратный — в основном состоянием поверхности металла, т. е. ее температурой и содержанием растворенного газа на границе металла. Отметим, что не все столкновения молекул газа с металлической поверхностью сопровождаются химической реакцией (растворением или образованием химического соединения). Отраженные от поверхности молекулы взаимодействуют с прямым и обратным потоками газа.

Газы растворяются в металле в атомарном состоянии, и скорость абсорбции многоатомных газов из атмосферы зависит от степени диссоциации молекул на поверхности металла и в объе-

1.3. Математическое моделирование абсорбции газов металлом

Атомы

Молекулы газа

Возбужденные молекулы

Электроны

Отражение

Абсорбция ф расплав

Рис. 1.3. Схема основных молекулярных процессов, происходящих в слое Кнуд-сена, при взаимодействии плазмы с металлом

ме газа. Таким образом, физическая модель абсорбции газов строится с учетом следующего:

•газы растворяются в металле только в атомарном состоянии;

•каждый атом газа после столкновения с поверхностью металла проникает в его объем;

•недиссоциированные молекулы диффузно отражаются от поверхности металла;

•в отсутствие плазмы диссоциация молекул газа происходит на нагретой металлической поверхности;

•диссоциация молекул газа в плазме происходит непосредственно в ее объеме;

•интенсивность десорбции газа из металла зависит от температуры поверхности и поверхностной концентрации атомов растворенного газа;

•конвективное перемешивание металла отсутствует. Атомы газа в металле перемещаются по диффузионному механизму;

•давление плазмы в разрядном промежутке равно атмосферному на значительном расстоянии от области дугового разряда.

Основные физические процессы, происходящие у поверхности раздела металл—газ, на молекулярном уровне при взаимодействии металла с низкотемпературной плазмой схематически приведены на рис. 1.3. Схема пространственной структуры задачи массопереноса и выбранная система координат представлены на рис. 1.4.

Математическая модель абсорбции газов металлом сварочной ванны. Перенос примесных элементов в системе металл—газ определяется с помощью системы уравнений, описывающих газодинамическое движение частиц в плазме, молекулярное взаимодействие в приповерхностном слое Кнудсена и перераспределение примеси в металле сварного шва. Описание газодинамического движения вблизи поверхности твердого тела осно-