- •Глава 9. Физико-химические
- •9.1. Анализ состава газовой фазы в зоне столба дуги
- •9.1.2. Образование соединений между компонентами газовой смеси
- •9.1.3. Насыщение расплавленного металла газами в капле и сварной ванне
- •9.2. Влияние атмосферных газов на свойства стали и сплавов при сварке
- •9.2.1. Влияние кислорода на свойства стали
- •9.2.3. Влияние водорода на свойства стали
- •9.2.4 Влияние со2, со и паров н2о на свойства стали
- •9.2.5. Влияние атмосферных газов на свойства цветных металлов
- •9.3. Взаимодействие металла с защитными флюсами при сварке
- •9.3.1. Строение и свойства сварочных флюсов
- •9.3.2. Характеристика важнейших простых оксидов, входящих в состав шлаковой фазы
- •9.3.3. Основные системы сварочных шлаков
- •9.4. Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком
- •9.5. Расплавление электрода и перенос капель в ванну
- •9.6. Источники водорода при сварке под флюсом
- •9.7. Окисление металла шва флюсом
- •9.8. Переход вредных примесей из флюса в металл шва
- •9.9. Раскисление металла при сварке
- •9.9.1. Виды раскисли тельных процессов
- •9.9.2. Легирование наплавленного металла
- •9.10. Рафинирование сварочной ванны и модифицирование металла шва
- •9.10.1. Влияние серы на структуру и свойства шва
- •9.10.2. Десульфурация сварочной ванны
- •9.10.3. Снижение содержания фосфора в металле шва
- •9.11. Дефекты металлургического происхождения в сварных швах
- •9.11.2. Шлаковые включения в металле шва
- •9.11.3. Ликвационная неоднородность в металле шва
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 ргаз внутри него было не ниже внешнего давления рвн. д т. е.
(9.94а)
Внешнее давление слагается из ряда составляющих:
(9.946)
Здесь ратм - 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:
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 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:
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.