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.

Поскольку кристаллизующаяся твердая фаза содержит меньше газов, чем оставшийся жидкий металл, в междендритных пространствах возможно образование молекул газов при протекании реакций:

[С] + [О] = СО;

2[Н] = Н₂; (1)

2[Н] + [О] = Н₂О;

[Н] + [О] = ОН.

Продукты реакций (1) в металле не растворимы. Они выделяются из сварочной ванны либо образуют поры. Для зарождения и развития газового пузырька нужно, чтобы давление газа P_газ внутри него было не ниже внешнего давления P_вн.д, т.е.

(2)

Внешнее давление слагается из ряда составляющих:

, (3)

где P_атм – атмосферное давление; h₁ – высота слоя металла над пузырьком;
p₁ – плотность металла; h₂ – высота слоя шлака над пузырьком; p₂ – плотность шлака; – поверхностное натяжение на границе раздела газ – металл; r – радиус газового пузырька.

В обычных условиях давлениями слоев металла и шлака (h₁ p₁ и h₂p₂ соответственно) вследствие их малости (100 Па) можно пренебречь. Тогда уравнение (2) примет вид

. (4)

В правой части уравнения (4) главное значение имеет второе слагаемое, которое увеличивается с ростом поверхностного натяжения и уменьшением размера пузырька. Если принять, что в начальной стадии образования пузырька его радиус r≈10^–5 см (10^–7 м), а поверхностное натяжение на границе газ – металл составляет σ = 1 Н/м, то для существования такого пузырька и его дальнейшего роста нужно, чтобы давление внутри него

. (5)

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:

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

– адсорбция уменьшает работу, затрачиваемую на образование газового пузырька.

На рисунке 18 показано, что форма газового пузырька, выделяющегося в жидкость 2 на ее границе с твердой поверхностью 1, зависит от смачиваемости последней. При этом краевой угол θ определяется (рис. 18) соотношением межфазных натяжений:

(6)

а) б)

Рис. 18. Возможные формы газового пузырька при выделении газа
из только что закристаллизовавшегося шва в жидкость:

Нетрудно увидеть, что при краевом угле θ>90⁰, когда жидкость 2 плохо смачивает поверхность твердой фазы 1 (рис. 18 а), газовый пузырек успевает вырасти до значительных размеров (образуя пору). При краевом угле θ<90⁰,
т.е. если жидкая фаза 2 хорошо смачивает твердую фазу 1 (рис. 18 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. 19 а) пузырек успевает оторваться и всплыть. Однако при неполном отрыве пузырьков от твердой фазы на ее поверхности остаются готовые зародыши.

а)

б)

Рис. 19. Схемы формирования газового пузырька и его отрыва
от фронта кристаллизации металла шва при малой (а) и большой (б) скоростях сварки
(1 – остаток газового пузырька внутри металла)

Такая картина наблюдается при большой скорости кристаллизации металла (рис. 19 б). В этом случае естественно ожидать пористости шва.

Поры могут быть вызваны как растворимыми в металле газами H_2, N₂, так и нерастворимыми, образующимися в самом металле (СО, H₂O, 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 Fe₃O₄ 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 оксида 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, нерастворимые 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 нерастворимый в металле фтористый водород:

D (7)

D (8)

D

D (9)

Возможность протекания реакций (7) и (9) 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:

D;

D; (10)

D;

D;

Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение соответствующих режимов, замедляющих кристаллизацию металла сварочной ванны (например, повышение погонной энергии q/ν), 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 следующими причинами:

– растворение газов в жидком металле ограничено, так как нет непосредственного контакта его с газовой средой;

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

– замедленное охлаждение металла сварочной ванны.

Дата добавления: 2014-01-04