Мольная энергия возбужденного азота на границе с металлом не зависит ни от способа плазменного нагрева (прямой или косвенный), ни от мощности плазменной струи.

В плазме молекулы полностью диссоциированы, но при подходе к металлу происходит рекомбинация (данные о процессах, определяющих растворимость азота, приведены в табл. 2.3).

Таблица 2.3. Термодинамические характеристики реакций растворения азота & железе [32]

Все процессы, связанные с возбужденным состоянием азота, протекают значительно быстрее (большое значение Кр).

2.3. Азот в сварных швах

Содержание азота в чистом железе, расплавленном вольфрамовым электродом в атмосфере Аг+ N3, увеличивается пропорциональноДо Ры * 0,4 кН/м2 (0,004 % N2 в Аг), а затем стабилизируется [37]. В области парциальных давлений азота ниже » 0,4 кН/м2 (0,004 атм) содержание азота в металле, расплавленном дугой, в 20 раз выше чем растворимость азота, определенная методом бестигельной плавки. Авторы работы [37] объясняют это явление активацией азота в дуговом разряде и увеличением в атмосфере дуги доли атомарного азота.

На рис. 2.4 показано влияние корня квадратного парциального давления азота на массовую долю азота в металле шва (железо и нержавеющая сталь) в аргон-азотной газовой смеси при сварке вольфрамовым электродом [38]. Для сравнения приведены данные о растворимости азота в нержавеющей стали и железе при температурах 1873 и 2073 К.

Отсюда видно, что содержание азота в металле швов во много раз выше, чем равновесное содержание азота в железе и нержавеющей стали. При сварке в защитных газах при различных давлениях (менее 1 атм) наблюдается увеличение содержания азота

в области низких давлений (рис. 2.5 и 2.6). Это объясняется более высокой степенью диссоциации азота при снижении давления (рис. 2.7).

В сварных швах на низкоуглеродистых сталях азот является вредной примесью. Повышенное его содержание в металле вызывает снижение пластичности, пористость швов, приводит к образованию трещин и других дефектов. В легированных сталях, главным образом хромоникелевых или хромоникелсмарганцевых, азот используется в качестве легирующего элемента, повышающего стойкость аустенита. Основным источником азота при сварке является воздух.

Массовая доля азота в сварных швах изменяется в широких пределах в зависимости от способа и условий сварки; при дуговой сварке низкоуглеродистых сталей она колеблется в пределах: при сварке покрытыми электродами — 0,01.0,04 %; в аргоне или СОг— до 0,02.0,03 %; под флюсом — менее 0,01 %; самозащитной порошковой проволокой — 0,015.0,04 %; легированной проволокой сплошного сечения — до 0,12 %. Важное значение имеет состав электрода (проволоки), защитного газа, режимы сварки и другие факторы.

Влияние состава проволоки. Повышение содержания углерода в проволоке или покрытии приводит к снижению содержания азота в металле шва (рис. 2.8).

Окисление углерода в капле и ванне способствует уменьшению адсорбции азота. Выделение пузырьков оксида углерода в ванне также может понижать содержание азота в шве. Способность углерода уменьшать содержание азота в швах практически используется для предупреждения пористости при наплавочных работах.

Массовая доля [N1, %

Нержавеющая сталь

Рис. 2.4. Зависимость содержания

азота в металле швов от

сварке железа и хромоникелсвой стали вольфрамовым электродом в аргон-азотной смеси [38]: РЫг + РА,=

~ I атм. Режим сварки: /св = 250 А, v™ = 20 см/мин. / и 2— растворимость в нержавеющей стали при 1800 и 1600 °С соответственно; 3 и 4 — растворимость в железе при 1800 и 1600 °С, соответственно