9.11. Дефекты металлургического происхождения в сварных швах

9.11.1. 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 меж­дендритных пространствах возможно образование молекул газов при протекании реакций:

(9.93)

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 р_газ внутри него было не ниже внешнего давления р_{вн. д} т. е.

(9.94а)

Внешнее давление слагается из ряда составляющих:

(9.946)

Здесь р_атм - атмосферное давление; h₁ - высота слоя металла над пузырьком; p₁ - плотность металла; h₂ - высота слоя шлака над пузырьком; р₂ - плотность шлака; σ - поверхностное натяжение на границе раздела газ - металл; r - радиус газового пузырька.

В обычных условиях давлениями слоев металла и шлака (соот­ветственно h₁ p₁ и h₂ p₂) вследствие их малости (≈100 Па) можно пренебречь. Тогда уравнение (9.94а) примет вид

(9.95)

В правой части уравнения (9.95) главное значение имеет вто­рое слагаемое, которое увеличивается с ростом поверхностного натяжения σ и уменьшением размера пузырька. Если принять, что в начальной стадии образования пузырька его радиус r ≈ 10^-5см (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

(9.96)

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

(9.97)

Нетрудно увидеть, что при краевом угле θ > 90⁰ , когда жидкость 2 плохо смачивает поверхность твердой фазы 7 (рис. 9.34, 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 I (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.

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 Fe₃О₄ 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:

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:

(9.101)

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 следую­щими 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;

1. замедленное охлаждение металла сварочной ванны.