ТЕОРИЯ сварочных процессов

Поры в металле шва

Расплавленный металл капель и сварочной ванны может силь­но насыщаться газами в результате химических реакций, про­текающих между металлом, газовой и шлаковой фазами. Раство­римость водорода, азота и кислорода в нагретом до высоких температур жидком металле значительно выше, чем в твердом ме­талле при температуре его кристаллизации. Поэтому в период кри­сталлизации металла сварочной ванны в затвердевающей части может начаться интенсивное газовыделение, обусловленное зна­чительным снижением растворимости газов. Особенно резко сни­жается растворимость водорода в кристаллизующихся алюминии и его сплавах, а после их затвердения растворимость в них водорода близка к нулю (см. рис. 9.6).

Поскольку кристаллизующаяся твердая фаза содержит меньше газов, чем оставшийся жидкий металл (маточный раствор), в меж - дендритных пространствах возможно образование молекул газов при протекании реакций:

[С] + [О] = СО;

2[Н] = Н2; (9.93)

2[Н] + [О] = Н20;

[Н] + [О] = ОН.

Продукты реакций (9.93) в металле не растворимы. Они выде­ляются из сварочной ванны либо образуют поры. Для зарождения и развития газового пузырька нужно, чтобы давление газа рггз внутри него было не ниже внешнего давления Рвн. д» т* е-

Ргаз — Рвн. д - (9.94а)

Внешнее давление слагается из ряда составляющих:

Рвн. д = Ратм + Лірі + /?2р2 + 2 . (9.946)

г

Здесь />атм - атмосферное давление; h - высота слоя металла над пузырьком; pi - плотность металла; /?2 - высота слоя шлака над пузырьком; р2- плотность шлака; а - поверхностное натяжение на границе раздела газ - металл; г - радиус газового пузырька.

В обычных условиях давлениями слоев металла и шлака (соот­ветственно /?ірі и Л2р2) вследствие их малости (^100 Па) можно пренебречь. Тогда уравнение (9.94а) примет вид

Рггз — Ратм + 2 . (9.95)

г

В правой части уравнения (9.95) главное значение имеет вто­рое слагаемое, которое увеличивается с ростом поверхностного натяжения а и уменьшением размера пузырька. Если принять, что

в начальной стадии образования пузырька его радиус г « 10 см

(10 м), а поверхностное натяжение на границе газ - металл со­

ставляет а = 1 Н/м, то для существования такого пузырька и его дальнейшего роста нужно, чтобы давление внутри него

ргаз> 1,01 *105 +2—ї-=- = 201-105 Па. (9.96)

КГ7

Итак, возникновение и развитие газового пузырька с таким давле­нием возможно, по-видимому, только на стенках твердой фазы (например, на гранях растущего кристалла), находящейся в кон­такте с жидким металлом. Это подтверждается также следующими соображениями:

1) кислород, водород и углерод являются поверхностно-актив­ными элементами, которые легко адсорбируются на поверхности раздела фаз и скапливаются там в значительных количествах;

2) адсорбция уменьшает работу, затрачиваемую на образова­ние газового пузырька.

На рис. 9.34 показано, что форма газового пузырька, выде­ляющегося в жидкость 2 на ее границе с твердой поверхностью /,

зависит от смачиваемости последней. При этом краевой угол 0 определяется (см. рис. 8.17) соотношением межфазных натяжений:

COS Є = (стігаз — 01 д) / 02газ - (9.97)

Нетрудно увидеть, что при краевом угле 0 > 90°, когда жидкость 2 плохо смачивает поверхность твердой фазы 1 (рис. 9.34, а), газо­вый пузырек успевает вырасти до значительных размеров (образуя пору). При краевом угле 0 < 90°, т. е. если жидкая фаза 2 хорошо
смачивает твердую фазу 1 (рис. 9.34, б), газовый пузырек приобре­тает овальную форму, не успевает вырасти, отрывается и всплыва­ет на поверхность ванны не образуя поры.

В сварочной ванне поверхность растущих кристаллитов, как правило, хорошо смачивается жидким металлом и первичные га­зовые пузырьки приобретают преимущественно овальную форму. При малой скорости кристаллизации (рис. 9.35, а) пузырек успева­ет оторваться и всплыть. Однако при неполном отрыве пузырьков от твердой фазы на ее поверхности остаются готовые зародыши.

Рис. 9.35. Схемы формирования газового пузырька и его отрыва от фрон­та кристаллизации металла шва при малой (а) и большой (б) скоростях сварки (7 - остаток газового пузырька внутри металла)

Такая картина наблюдается при большой скорости кристаллизации металла (рис. 9.35, б). В этом случае естественно ожидать порис­тости шва.

Поры могут быть вызваны как растворимыми в металле газами

(Н2, N2), так и нерастворимыми, образующимися в самом металле

(СО, Н2О, ОН). Появлению пор в металле шва способствует за­грязненность металла ржавчиной, которая представляет собой гидрат окиси железа и может иметь различный химический состав.

При нагреве она переходит в окалину РезС>4 с выделением паров воды. Таким образом, в непосредственном контакте с жидким ме­таллом оказываются и кислород, и водород. Поэтому при сварке металла, покрытого ржавчиной, оксид углерода СО (продукт реак­ции между углеродом и кислородом в жидком металле) может об­разовать поры. Водород при этом лишь увеличивает размеры обра­зующихся газовых пузырьков, диффундируя в них и переходя в молекулярную форму. Причиной возникновения пор может быть и водород, а также азот, интенсивно растворяющиеся в жидком ме­талле и не успевающие в момент кристаллизации полностью вы­делиться из него.

Влияние состава газов на образование пор при сварке покрыто­го ржавчиной металла зависит от степени окисленности сварочной ванны, т. е. от содержания в ней кислорода. Если металл окислен, то растворимость водорода в нем снижается. В этом случае повы­шение содержания закиси железа в системе шлак - металл способ­ствует развитию в кристаллизующейся части сварочной ванны ре­акции окисления углерода и потенциальному образованию пор, содержащих СО. Если металл сварочной ванны хорошо раскислен и содержит нужное количество кремния и других раскислителей, то создаются условия для активного поглощения сварочной ван­ной водорода. Тогда образование пор в шве обусловлено преиму­щественно интенсивным выделением водорода из кристаллизую­щегося металла.

Для борьбы с пористостью, вызываемой образованием окиси углерода, нужно сохранять в сварочной ванне достаточное количе­ство раскислителей, способных подавить реакцию окисления угле­рода в момент кристаллизации металла сварочной ванны.

Чтобы предупредить водородную пористость, нужно обеспе­чить в газовой фазе более полное связывание водорода в соедине­ния, не растворимые в металле. Рассмотрим две реакции, интерес­ные в этом отношении.

1. Соединения фтора, поступающие в газовую фазу, взаимо­действуют с атомарным водородом или парами воды и образуют не растворимый в металле фтористый водород:

2CaF2 + 3SiC>2 2CaSi03 + SiF4; SiF4 + 3H SiF + 3HF;

SiF4 + 2Н20 ^ Si02 + 4HF; CaF2 + H <=> CaF + HF.

Возможность протекания реакций (9.98) и (9.100) вправо под­тверждается высокими значениями их констант равновесия при

температурах столба дуги.

2. Образование в высокотемпературной зоне не растворимого в металле соединения водорода с кислородом (гидроксила ОН), ус­тойчивого при высоких температурах, может протекать так:

Н + 0<^0Н;

С02 + Н? ЗСО + ОН;

МпО + Н ^ Мп + ОН; (9.101)

Si02 + Н <=> SiO + ОН.

Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение соответствующих режимов, замедляющих кристалли­зацию металла сварочной ванны (например, повышение погонной энергии q/v), и мер, снижающих поглощение газов расплавленным металлом, особенно при его переносе через газовую фазу - напри­мер, применение короткой дуги, а также мер, способствующих выходу газа из шва при колебаниях уровня поверхности сварочной ванны и при ее вибрации. Рекомендуется зачищать свариваемые кромки металла и присадочную проволоку от ржавчины и других загрязнений.

При сварке под флюсом форма сварочной ванны более благо­приятна для получения плотного шва. Это объясняется следую-

щими причинами:

1) растворение газов в жидком металле ограничено, так как нет

непосредственного контакта его с газовой средой;

2) металлическая ванна обычно имеет чашеобразную форму и при перемещении фронта кристаллизации снизу вверх создаются благоприятные условия для удаления растворенных газов-

3) замедленное охлаждение металла сварочной ванны.