Практическое занятие 5:

Взаимодействие металла сварочной ванны с водородом. Образование пористости в шве.

1. Общие сведения.

В процессе получения неразъемного соединения методами сварки с местным расплавлением задачей сварщика является получение металла шва с заданными свойствами. С этой целью в процессе сварки осуществляют металлургическую обработку сварочной ванны: дегазацию, рафинирование, легирование. Также нужно обеспечить кристаллизацию металла шва в определенных условиях, таких чтобы не образовывались внутренние дефекты: поры или трещины.

Поры или несплошности бывают следующих видов:

• газовые поры, газо-усадочные поры, рыхлоты, течи.

Образование пор может привести к снижению механических свойств, иногда – к потере герметичности (если поры выстраиваются в виде цепочки, и между ними могут быть каналы). Нарушение герметичности также может быть связано с образованием разветвленных неправильной формы несплошностей, которые принято называть рыхлотами или течами. Этот вид пористости наиболее опасен, так как может привести не только к потере герметичности, и в то же время может служить концентратором напряжений, в связи с чем конструкция в процессе эксплуатации может разрушиться хрупко. Все виды пористости по размерам, форме и расположению в сварном соединении регламентируются правилами приемки. При сварке стараются создать условия, при которых пористость в сварной конструкции была бы минимальной.

Пористость обычно выявляют с помощью рентгеновского просвечивания сварных соединений. Наличие рыхлот и течей определяют с помощью различных проб (например: керасино-меловой пробы), либо с помощью испытаний на герметичность.

Причины образования пористости могут быть:

1) газы, попадающие из окружающей среды в сварочную ванну,

2) газы, попадающие в сварочную ванну с поверхности присадочного металла или из флюса,

3) газы, имеющиеся внутри расплавляемого основного и присадочного металла.

При сварке алюминиевых сплавов пористость в основном вызвана водородом.

Водород может присутствовать:

1) в растворенном (атомарном) виде

2) в молекулярном виде (в пузырьках)

3) в связанном виде (в виде химических соединений)

При сварке плавлением алюминия и его сплавов водород может вызвать пористость в металле шва и высокотемпературной области зоны термического влияния (ВТО ЗТВ) (ВТО ЗТВ – участок, прилегающий к металлу шва, где температура нагрева выше неравновесного солидуса).

Образование пор может быть вызвано:

1. выделением газов из пересыщенных растворов;

2. выделением газов в результате развития химической реакции;

3. механическим замешиванием газов

4. поступлением газов из несплошностей основного и присадочного металла.

1.1. Выделение газов из пересыщенных растворов.

Выделение водорода в виде газовых пузырей из жидкого металла возможно при формировании пересыщенного раствора. Последнему способствуют свойства алюминия, а именно – изменение растворимости в нем водорода в зависимости от температуры (рис. 1) и особенности процесса сварки, заключающиеся в нагреве и охлаждении металла в зоне сварки.

При нагреве из-за повышения растворимости водорода в алюминии с увеличением температуры создаются условия для перехода водорода в сварочную ванну при достаточном содержании водорода или паров воды в среде, контактирующей с жидким металлом, по реакциям:

(1)

(2)

Константы равновесия рассматриваемых реакций:

и

где: и - равновесные концентрации водорода в металле;

и - соответствующие им равновесные парциальные давления водорода и паров воды в контактирующей среде.

Если действительное парциальное давление водорода или паров воды в контактирующей среде будет выше равновесных для данной температуры

или

то будет наблюдаться переход водорода в жидкий металл и формирование газовых пузырей. Полнота развития указанных реакций, которые относятся к классу гетерогенных реакций, зависит от величины площади поверхности раздела фаз, а также скорости доставки и отвода реагирующих веществ из зоны реакции.

Следует отметить, что образование газовых пузырей в результате выделения водорода из расплава возможно только при наличии в расплаве зародыша критического размера. Как показывают расчеты и исследования, гомогенное образование зародыша пузыря маловероятно. По этой причине введение в жидкий металл примесей облегчает образование зародышей (гетерогенное образование зародышей). Особенно гетерогенное образование зародышей газовых пузырей облегчается, когда примеси не смачиваются жидким металлом, в этом случае зародыши формируются при малом пересыщении металла водородом.

1.2. Выделение газов в результате развития химических реакций.

Основным источником водорода в сварочной ванне, является влага на поверхности свариваемых деталей и сварочной проволоки.

При сварки такого материала с поверхности кромок будут последовательно выделяться следующие газы:

100oC

Al(OH)₃ x nH₂O + Al ^______ Al(OH)₃ + n H₂O + Al (4)



350 – 400 oC

2Al(OH)_{3 +} Al ^{_________________}2AlOOH + H₂O + Al (5)



550 – 650 oC

2AlOOH ^____________Al₂O₃ + H₂O₊ Al + H₂ (6)



6H₂O + 4Al ^{_______________}2Al₂O₃ +6 H₂ (7)

Поэтому, для того чтобы предотвратить попадание водорода с поверхности кромок в шов осуществляют шабрение свариваемых кромок непосредственно перед сваркой.

1.3. Механическое замешивание газов.

Механическое замешивание газов в сварочную ванну возможно из-за смыкания кромок перед сварочной ванной.

В некоторых случаях на участке А в результате теплового расширения и деформации металла возможно смыкание кромок и образование замкнутых газовых полостей, которые и могут служить источником пор в металле шва.

1.4. Поступление газов из несплошностей основного и присадочного металла.

Газовые пузыри в сварочной ванне могут сформироваться, минуя стацию образования зародыша, если в исходных материалах (основном металле, электродной или присадочной проволоке) имеются микронесплошности, заполненные газом. В этом случае в процессе сварки в результате расплавления основного, электродного или присадочного металла, газ, содержащийся в микронесплошностях, попадает в сварочную ванну в виде газовых пузырей.

Источником микронесплошностей, заполненных газом, в исходных материалах в основном являются первичные несплошности, формирующиеся в процессе кристаллизации слитков, из которых изготавливают основной металл и сварочную проволоку. Как показывает практика, почти всегда в слитках металлов и сплавов имеются рассеянные макро- и микронесплошности газового или усадочного происхождения. Установлено, что эти дефекты заполнены молекулярным водородом. В процессе переработки слитков путем пластической деформации (прессования, прокатки, ковки и др.) не всегда удается полностью ликвидировать несплошности, сформировавшиеся в процессе кристаллизации слитка. В результате этого поступающие для изготовления сварных конструкций полуфабрикаты (листы, профили и др.) могут иметь микронесплошности, заполненные водородом. Установлено, что имеющийся в основном металле молекулярный водород приводит к образованию пористости не только в металле шва, но и в металле высокотемпературной области зоны термического влияния. В некоторых случаях водород, содержащийся в микронесплошностях, вызывает расслоение металла в глубинных слоях зоны термического влияния.

Помимо пор, водород, собирающийся в микронесплошностях, может привести к формированию зародышей трещин и развитию трещин вследствие значительных напряжений, возникающих из-за выделения молекулярного водорода: например, при степени пересыщения [Н]_д/[Н]_р = 100, в порах возникает давление {Рн₂}_д= 10000 атм. В области поринки металл находится в сложном напряженном состоянии, и в зависимости от свойств в этой зоне может произойти разрушение. Условия при которых происходит разрушение можно определить используя теорию хрупкого разрушения Гриффитса.

При приложении сил, создающих в однородном теле напряжения , рост уже имеющегося зародыша трещины (с). При этом объемная упругая энергия будет уменьшаться, а величина поверхностной энергии будет увеличиваться.

Рассматривая баланс этих величин, получают общую формулу Гриффитса :

_кр = к(Е  /с)^0,5 (12)

где: _кр - критическое напряжение, при котором начинается рост зародыша трещины размерами с, Па;

с – размер трещины;

 - величина поверхностной энергии;

Е - модуль упругости, МПа;

к - коэффициент.

Следовательно, зародыш трещины может развиться в трещину если действующие напряжения больше критических: _д> _кр.

Поскольку на размер зародыша повлиять нельзя, то нужно стремиться к уменьшению уровня напряжений, воспринимаемых конструкцией (_д), в свою очередь определяемых содержанием водорода в микронесплошностях.

1.5. Способы снижения содержания водорода в сварочной ванне.

Существует несколько способов снижения содержания водорода в сварочной ванне:

1) уменьшение адсорбированной влаги;

2) воздействие на процессы в сварочной ванне;

Уменьшение адсорбированной влаги достигают:

1) за счет использования прокалки электродов и флюсов;

2) за счет применения обработки свариваемых поверхностей;

3) путем регламентации условий хранения;

4) использованием рациональной геометрии соединения;

5) применением присадочной или электродной проволоки рационального диаметра.

Практическое занятие 6: