18. Поры в сварных швах, механизм и факторы, способствующие их образованию.

Поры — это расположенные в сварном шве полости округлой формы, заполненные газами. Поры могут располагаться по объе­му шва как равномерно, так и в виде скоплений и цепочек. Равномерно распределенная пористость — это группа пор, распо­ложенных в шве равномерно, при этом расстояние между ними равно или превышает три размера большей из пор. К равномерно распределенной пористости относят и единичные поры; скопление пор — группа пор (три или более), расположенных кучно с рас­стоянием между ними менее трех размеров большей из пор (рис. 66, д); цепочка пор — ряд пор, расположенных в линию вдоль оси шва с расстоянием между ними менее трех размеров большей из нор (рис. 66, е); свищи — трубчатая полость, которая как и пора вызвана выделением газов (рис. 66, ж). Обычно сви­щи группируются в виде скоплений.

П оры. Они представляют собой пузырьки растворенных в металле газов или газообразных продуктов химических реакций, не успевшие выде­литься из сварочной ванны при ее кристаллизации и оставшиеся в металле шва. Размер пор при ручной дуговой сварке может ко­лебаться от десятых долей миллиметра до 5-6 мм. В образовании пор участвует несколько газов – СО, С0₂, Н₂, N₂, СН₄. Наи­большее участие в порообразовании принимают СО, Н₂ и N₂.

Для выделения растворенных в металле газов в самостоя­тельную фазу, прежде всего, необходимо наличие в расплавлен­ном металле центров зарожде­ния (зародышей) газовых пу­зырьков. Наиболее веро­ятными местами зарождения газовых пузырьков являются существующие в сварочной ванне поверхности раздела жидкий металл-газ, которыми могут быть различного вида микропустоты, плохо смачива­емые металлом твердые неме­таллические включения и другие, содержащиеся в расплаве взвеси, ими могут стать отдельные тугоплавкие состав­ляющие электродных покры­тий, оксидные включения, уса­дочные пустоты и пр. Обраща­ет на себя внимание возмож­ное возникновение газовых за­родышей вследствие протека­ния реакций между содержащимися в металле углеродом и кислородом, в результате которой образуется нерастворимый в стали газообразный оксид углерода. Реакции активно протекают в высокотемпературной части сварочной ванны, а также в кристаллизующемся металле, в частности в межзеренном пространстве.

Последующее развитие зародышей и их превращение в газо­вые пузырьки может происходить при разных температурах, в том числе в хвостовой части ванны, под воздействием как про­должающего образовываться оксида углерода, так и выделяю­щихся из расплавленного металла водорода и азота. Участие водорода и азота в возникновении пузырьков может быть эф­фективным только в случае нахождения этих газов в металле в пересыщенном состоянии, т.е. когда их объемное или локальное содержание в сварочной ванне значительно превышает равновес­ное содержание при данной температуре (рис. 72). Водород и азот, выделяясь из металла в зародыш — несплошность, пере­ходят из атомарного состоя­ния в молекулярное (2Н=Н₂; 2N=N₂) и создают в нем опре­деленное внутреннее давление. Внутреннее давление в заро­дыше создает и образующийся на поверхности раздела фаз оксид углерода. Если создава­емое газами внутреннее давление будет превышать внешнее давление со стороны расплавленного металла, то газовый зародыш начнет раз­виваться, превращаясь в газо­вый пузырек. Это условие раз­вития зародыша и возникнове­ния газового пузырька можно отобразить в виде неравенства:

Р>Р_ат+2σ/r,

где Р— сумма парциальных давлений находящихся в пузырьке газов; Р_ат — атмосферное давление; σ — поверхностное на­тяжение жидкого металла на границе металл-газ; r — радиус пу­зырька.

При достижении критического радиуса пузырек становится термодинамически устойчивой, жизнеспособной фазой. Успеет ли газовый пузырек возникнуть и покинуть сварочную ванну или он, сформировавшись, останется в закристаллизовавшемся металле шва, в общем случае зависит от соотношения скоростей образования, развития и всплывания пузырька, с одной стороны, и скорости роста кристаллов — с другой.

Поскольку кислород находится в жидком железе в виде ани­она О^2-, а водород — катиона Н⁺ между ними, как находящимися в жидком растворе разноименными ионами, возникают опреде­ленного рода связи. Кислород как бы связывает водород, ограничивая его подвижность, особенно при повышении своей концентрации и при понижении температуры расплава.

Понижение активности газа и блокирование поверхности раздела фаз приводит к тому, что при повышенной концентрации растворенного в сварочной ванне кислорода выделение малоподвижного в этом случае водорода, даже при большом пересыщении, из жидкого металла в газовые зародыши, появляющиеся в хвостовой части ванны, или не происходит совсем или тормозится на ранней стадии их раз­вития. При этом большая часть водорода остается в расплаве, так как удаление его во внешнюю атмосферу также затруднено блокирующим действием находящегося на поверхности кислоро­да.

Появление пор в металле шва наблюдается при сварке элек­тродами с недопустимо высоким (более 1,5-2%) содержанием влаги в покрытии.

При увеличении длины дуги более определенной ве­личины (может быть вызвано и образованием «козырька» па тор­це электрода) защита капель электродного металла, проходящих через дугу, ухудшается, и они вступают в непосредственный кон­такт с атмосферой воздуха (кстати, подобное явление имеет мес­то при сварке на ветру или при магнитном дутье дуги, когда на­рушается газовая защита зоны сварки). Вследствие этого капли, имеющие очень высокую температуру, начинают активно реагиро­вать с содержащимися в воздухе газами, прежде всего азотом, рас­творяя их. При значительном повышении содержания азота в электродных каплях и, как следствие, перенасыщении сварочной ванны созда­ются благоприятные условия для его выделения в зародыш с по­следующим образованием и развитием газовых пузырьков.

В целом основными факторами, способствующими появле­нию пор в металле шва при ручной дуговой сварке сталей, явля­ются: невысокие сварочно-технологические свойства электродов, обусловленные недостаточным уровнем их разработки, и/или низкое качество их изготовления (с этим связана трудность воз­буждения дуги и неустойчивое ее горение, невозможность ста­бильного ведения процесса сварки на короткой длине дуги, чрез­мерная разнотолщинность покрытия, приводящая к образованию «козырька», оголенность стержня у контактного торца электрода, повышенное содержание влаги в покрытии из-за нарушений ре­жимов термообработки электродов, некачественная упаковка го­товой продукции), наличие ржавчины на электродных стержнях, плохая очистка кромок и участков прилегающего свариваемого металла от ржавчины, окалины, масла и других загрязнений, на­личие влаги на свариваемых кромках, высокая влажность атмо­сферы воздуха, прокалка электродов и их хранение перед свар­кой с отступлением от требований нормативной документации, повышенная (для некоторых видов электродов) длина дуги, боль­шая скорость воздушного потока в зоне дуги, магнитное дутье дуги.