В предыдущих параграфах было рассмотрено образование за­родышей газовых пузырей в гомогенной среде. Однако в реаль­ных условиях в сварочной ванне всегда имеются поверхности раздела между различными фазами. Это границы расплавлен­ного металла со шлаком, неметаллическими включениями и твердым металлом. Между тем из теории фазовых превраще­ний известно [231, 347], что наличие межфазных границ спо­собствует образованию новой фазы. С целью выяснения влия­ния названных выше границ раздела на процесс порообра­зования рассмотрим образование устойчивых газовых заро­дышей на межфазных границах и прежде всего на границах металл — шлак, металл — расплавленное неметаллическое включение.

В случае образования сферического газового зародыша на границе между расплавленными металлом и шлаком (рис. 42)

при постоянной температуре и давле­нии величину AG можно определить следующим образом:

АС = алг2ам_г ф - йлг2аш_г —

— слг2ом_ш ф - A Go6, (IV.25)

Рис. 42. Схема образования газового зароды­ша на границе расплавленные металл — шлак.

где anr2 = 5м—г и Ьлг2 = SIL,_r — площадь контакта заро­дыша с металлом и шлаком соответственно; слг2 — —

исчезнувшая площадь контакта между металлом и шлаком; а, Ь, с — коэффициенты, постоянные для каждого конкрет­ного случая, причем a - f b = 4, так как общая поверхность сферы равна 4лг2, с = rf/r2 = cos2 а.

При условии, что зародыш образуется одним газом и хи­мические потенциалы его в шлаке и в металле равны, величи­ны ґкр и AGmax можно найти из следующих выражений [178];

(C<W + Чц-Г - СРМ-щ) К

2kT In ’

где WreT — работа образования зародыша новой фазы в ге­терогенной среде, определяемая из уравнения [45],

IVГет : “g- (SM_raM_r - f - 5ш_гош_г — (IV.28)

хх — суммарная молярная доля газа в металле и шлаке.

Из уравнений (IV.26) и (IV.27) следует, что интенсивность образования газовых зародышей на границе между металлом и шлаком определяется поверхностными свойствами металла, шлака и величиной межфазного натяжения, которые зависят от состава металла и шлака [69], а также величиной хх, т. е. содержанием компонента в расплавах металла и шлака. При­чем с повышением концентрации газа в металле и шлаке умень­шается критический радиус зародыша и увеличивается ин­тенсивность появления зародышей.

Если принять ам_г = 1200 мДж/м2, аш—г = 300 мДж/м2, Ом—ш = 900 мДж/м2, Ешл/Ем = ом_г/ош-г, ТО получим, что ГкрМ/ГкрТ = 3,2, т. е. при образовании зародыша на границе расплавленные металл — шлак величина критического га­зового зародыша гораздо меньше, чем в случае его возник­новения в гомогенной среде при той же степени пересыщения.

Однако, кроме расплавленных включений, в сварочной ванне могут находиться и твердые неметаллические включе­ния, наличие которых также влияет на процесс порообразо­вания [9, 113]. С целью выяснения механизма влияния твер­дых неметаллических включений рассмотрим образование газовых зародышей при наличии твердых включений в рас­плавленном металле и оценим влияние различных факторов на этот процесс.

Очевидно, что образование газо­вых зародышей, их форма и разме­ры будут зависеть от размера не­металлических включений и от сма­чиваемости включений расплавом.

При этом возможны следующих три случая:

1) неметаллическое включение меньше критического газового за­родыша и является центром для его образования (рис. 43, а);

2) неметаллическое включение больше критического зародыша и плохо смачивается расплавом, вследствие чего газовый зародыш образуется на нем в виде линзы (рис. 43, б)

3) неметаллическое включение больше критического заро­дыша, хорошо смачивается расплавом, вследствие чего газо­вый зародыш имеет форму, близкую к сферической (рис. 43, в).

Из рассмотрения особенностей образования газовых заро­дышей на границе расплав — твердое неметаллическое вклю­чение были получены выражения для критических радиусов таких зародышей для первого, второго и третьего случаев соответственно [721:

Є

(IV.29)

где Vu — молярный объем выделившегося газа; 0 —- краевой угол смачивания включения расплавом; R — газовая постоян­ная; г — отношение радиуса газового зародыша г к радиусу неметаллического включения гв.

Поскольку с уменьшением величины гКр образование но­вой фазы облегчается, рассмотрим, как влияют отдельные фак­торы на критический радиус зародыша. Результаты решения уравнения (IV.29) при 0„_, = 1000 мДж/м*, Т = 1803 К, V„ = 22,4137 • 10'м3/моль, Р = 8,314 Дж/(моль • К) пред­ставлены на рис. 44 и 45. Как видно, чем хуже смачивает рас-

Рис. 44. Зависимость изменения величины критического радиуса газового зародыша от значения краевого угла смачивания неметал­лического включения расплавом:

1 — Z = 1,1; 2 — X = 1,5; 3 — Z = 2; 4 — гомо­генное зарождение (С/С$ = 1,1).

плав неметаллическое включение, тем легче образуется газовый зародыш на поверхности включения одного и того же размера. Расчеты показали, что при C! CS =1,1 для всех рассматри­ваемых значений 0 и 20,0 величина гкр > ГкрМ, а при Z — 50 — ГкР < ГкрМ, но различие это незначительно.

Из рис. 45 видно, что с увеличением степени пересыщения эффективность влияния неметаллических включений каждого размера на процесс образования пор возрастает.

Расчеты, проведенные по уравнениям (IV.30) и (IV.31) при тех же значениях а и Г, показали, что для всех 0 при об­разовании зародышей на крупных включениях их радиус оста­ется равным радиусу зародыша, образовавшегося в гомогенной среде. Однако объем этих зародышей, а значит, необходи­мое количество молекул и работа их образования будут мень­ше, чем у зародышей, возникших в гомогенной среде (рис. 46).

1,0 0,8 0,6 ол 0,2 0

Рис. 45. Зависимость изменения величины критического радиуса газово­го зародыша, образующегося на неметаллическом включении, от степени пересыщения металла газом:

/ — Z = 1,1; 2 — Z = 1.5; 3 — Z = 2; 4 — Z = 3; 5 — гомогенно» зарождение.

Рис. 46. Зависимость соотношения объемов газовых зародышей, образу­ющихся на неметаллическом включении 1/гет и в гомогенной среде Игом, от величины краевого угла смачивания.

Номер опыта	С	Мп	S1	N1	Сг	S
і	0,05	0,07	Следы	—	___	0,018
2	0,09	0,33	Следы	—	—	0,021
3	0,08	1,67	0,82	—	—	0,03
4	0,13	6,10	0,40	9,64	18,62	—
5	0,83	0,21	0,28	—	—	0,010

Анализ полученных выражений свидетельствует о том, что с улучшением степени смачиваемости расплавом твердой поверхности величина работы образования устойчивого газово­го зародыша на межфазной границе будет приближаться к вели­чине работы образования зародыша в гомогенной среде. По­этому на границе металл — растущий кристалл вероятность образования газовых зародышей будет невелика. К тому же, как показали работы [160, 214], степень пересыщения газом границы между твердым и расплавленным металлами невелика. Наблюдающееся на практике довольно частое расположение пор на границе сплавления объясняется, по-видимому, гидро­динамическими особенностями сварочной ванны, возникающи­ми при обтекании расплавом выступов кристалов, что приво­дит к застреванию пузырьков на их вершине и возможности кавитационного образования зародышей.

Поскольку образование газовых зародышей связано с ве­личиной краевого угла смачивания, важно установить, как влияют различные факторы на величину 0. Было исследовано влияние температуры, состава металла и газовой фазы на степень смачиваемости твердых подложек из А1208, MgO и подложки, в состав которой, кроме MgO, входит еще 6 % FeO [181]. Металлической фазой являлись армко-железо и ста­ли (табл. 13). В качестве газовой среды применяли газы N2, СО и Н2, вызывающие образование пор при сварке сталей, а также воздух, С02 и, для сравнения, аргон.

Значения краевого угла смачивания, замеренные после 15-минутной выдержки системы при заданной температуре, представлены в табл. 14. Как видно, для всех исследуемых систем 0 >■ 90°. Повышение содержания в металле углерода незначительно снижает угол смачивания. Точно также мало уменьшается величина краевого угла смачивания при увели­чении содержания в металле кремния и марганца. Лишь при суммарном содержании в металле Ni, Сг и Мп около 34 % величина краевого угла смачивания уменьшилась по сравне­нию с армко-железом на 14 °.

пределах ОТ 5 ДО 12 . При - Рис. 47. Вид пор, контактирующих мерно Такой ЖЄ эффект на - с неметаллическим включением, блюдается и при введении в

состав подложки 6% FeO, что объясняется усилением взаимо­действия металла с подложкой.

Состав газовой фазы практически не влияет на величину краевого угла. Только в том случае, когда газовая фаза окис­лительная (воздух, С02), смачивание подложек металлом резко улучшалось. Особенно это было заметно для металлов, используемых в опытах 1—2.

Таким образом, преимущественное или одновременное учас­тие в образовании газовых зародышей N2, Н2 и СО не должно заметно повлиять на величину краевого угла смачивания. Воз­растание температуры и особенно повышение окисленности металла должны вследствие уменьшения величины 0 умень­шить влияние твердых неметаллических включений на про­цесс порообразования. Полученные теоретические данные по влиянию неметаллических включений на процесс порообра­зования подтверждаются и экспериментами.

Исследования по наплавке стальных деталей в защитных газовых средах с различным окислительным потенциалом показали, что с возрастанием числа неметаллических вклю­чений увеличивается пористость наплавленного металла. При этом очень часто поры контактируют с неметаллическими вклю­чениями и на границе с расплавленными включениями рас­тут в сторону включений (рис. 47). Теоретически возможность такого роста показана в [178].

Наши исследования по влиянию твердых неметаллических включений на процесс порообразования показали, что при наличии в сварочной ванне частиц корунда пористость выше при сварке низкоуглеродистых сталей и ниже при сварке хромоникелевых сталей, т. е. пористость выше для тех систем, для которых больше величина 0. Однако разница эта неболь­шая. При сварке низко-и высокоуглеродистых материалов, для которых краевые углы практически одинаковы, пористость была выше (рис. 48) для высокоуглеродистых материалов и возрастала с увеличением размеров включений. По-видимо - му, это объясняется повышением степени пересыщения газом

на границе между металлом и включением, что подтверждает­ся, в частности, данными [295] о повышенной концентрации водорода вблизи оксидных и сульфидных неметаллических включений. Такое пересыщение возможно или за счет физи­ческого взаимодействия неметаллического включения с га­зами, растворенными в металле, или за счет протекания реак­ции на границе маталл — включение.

Силы физического взаимодействия можно оценить по ве­личине диэлектрической постоянной неметаллического вклю­чения [287]. Согласно данным [126], эта величина при 1900 К для MgO равна 15,4; для Si02 — 3,8 и для А1203 — 9,2, т. е. более сильно будут взаимодействовать частицы MgO и наиме­нее сильно Si02.

Однако, поскольку физическое взаимодействие раство­ренных в металле газов и неметаллических включений оди­наково при сварке низко - и высокоуглеродистых сталей, рост пористости при наличии твердых неметаллических включений в сварочной ванне в случае сварки высокоуглеродистых ме­таллов за счет физического взаимодействия включений с рас­творенным в расплаве газом объяснить, вероятно, нельзя. По-видимому, повышенная пористость при сварке высокоуг­леродистых материалов определяется в первую очередь со­зданием местного пересыщения в результате образования СО при протекании реакции

У [С] + (Ме*0у) = х [Me] + У {СО}.

Это подтверждается термодинамическими расчетами и ре­зультатами экспериментов. Нужно учесть, что А1203 является весьма стойким оксидом, при наличии же в сварочной ванне включений Si02, МпО, FeO реакции образования СО будут протекать более интенсивно.

Рассмотренные в предыдущих параграфах процессы обра­зования газовых зародышей справедливы для гомогенных и ге­терогенных систем без учета влияния внешнего электрического поля и перемешивания расплава, которые существуют в реаль­ных условиях и влияют на процесс порообразования.

Еще в 1951 г. Д. М. Рабкин установил [221], что при сварке низкоуглеродистой стали под флюсом шов, полученный на обратной полярности, был менее пористым, чем при сварке на прямой полярности. Подобные факты отмечены и другими

Рис. 48. Вид валиков, наплавленных проволоками Св-08 (с, б), 65Г (в, г) и У8А (д, е) на СтЗ при размерах включений 0,5 • 10~э м {а, в, д) и 1,5 X X 10-3 м (б, г, е).

исследователями и в основном связываются с изменением кон­центрации газа в металле. Рассмотрим влияние полярности на образование пор при сварке под флюсом с учетом свойств межфазной границы металл — шлак и процессов, происходя­щих на этой границе.

Как отмечалось, основными газами, вызывающими порис­тость швов при сварке сталей, являются азот, водород и оксид углерода. Нам не известны работы по исследованию влияния полярности на содержание в шлаке названных выше газов. Известно лишь [166], что при прохождении тока через шлак в нем увеличивается содержание азота. Изучению связи между полярностью и содержанием азота и водорода в металле по­священо довольно большое число исследований. Поскольку в них, однако, рассматриваются в основном процессы, проте­кающие в системе металл — газ, установленные закономер­ности не могут быть полностью перенесены на систему газ — шлак — металл, так как в последнем случае газы прежде, чем попасть в металл, должны пройти через слой расплавлен­ного шлака.

Кислород, участвующий в образовании СО, а также азот и водород присутствуют в шлаке в виде ионов [166], что по­зволяет взаимодействие газов, растворенных в шлаке, с ме­таллом рассматривать как электрохимическое. Между тем известно, что скорость и ход электрохимических реакций опре­деляются потенциалом электрода, который изменяется в за­висимости от силы и направления тока, протекающего через границу металл — шлак. В связи с этим наложение внешнего электрического поля должно в зависимости от полярности электрода (металла) или ускорить, или затормозить течение электрохимических процессов, т. е. изменить содержание га­зов в металле, о чем свидетельствуют и экспериментальные данные [80, 81, 209, 278, 329].

В настоящее время общепринято, что водород находится в шлаке в виде ионов ОН-, а переход водорода из шлака в металл происходит [294] в результате разряда ионов гидро­ксила на катоде

(ОН-) + е = [Н] + (О-2).

Кислород в шлаке находится в виде ионов О-2, и распре­деление его между металлом и шлаком можно изобразить сле­дующей схемой:

(0-2)^[0] + 2е.

Относительно формы существования азота в расплавлен­ных шлаках высказываются различные соображения. Чаще

считают, что азот в шлаке в зависимости от состава послед­него может находиться в нитридной N”3 и цианидной CN - формах [166].

При сварке под флюсом перенос к металлу водорода, азо­та и кислорода происходит от границы газ — шлак за счет диффузии и конвективных потоков. В результате исследования химического состава шлаковой корки [208І обнаружена зна­чительная неоднородность ее состава по высоте, что свиде­тельствует о слабом перемешивании шлака при сварке и, сле­довательно, важной роли диффузии в процессах взаимодейст­вия металла и шлака.

Интенсивность диффузионных процессов и связанная с ними скорость приведенных выше реакций возрастают с повышением температуры жидкого шлака, так как при этом увеличивается подвижность ионов в шлаке и плотность протекающего тока. Поскольку температура шлака на границе с расплавленным электродным металлом всегда выше, чем на границе с метал­лом сварочной ванны, общее содержание газов в металле шва должно определяться главным образом процессами, проис­ходящими на стадии капли. С учетом этих соображений сле­дует ожидать, что при сварке на прямой полярности содержа­ние в металле шва водорода должно быть несколько выше, а содержание кислорода и азота ниже, чем на обратной по­лярности. Такой вывод подтверждается и данными экспери­ментальных исследований [209, 278, 329] о влиянии полярнос­ти на содержание водорода, азота и кислорода в наплавленном металле при сварке под флюсом и при электрошлаковом пе­реплаве.

Реакция образования СО будет в основном гетерогенной, и протекание ее возможно только в том случае, если на меж­фазной границе будут одновременно присутствовать и угле­род, и кислород.

Установлено [324], что при достаточно высоком содержа­нии [С] в металле СО образуется в первую очередь на границе металл — шлак, а затем и в объеме металла, вероятно, на гра­ницах с включениями. При низком содержании в металле уг­лерода ([С] ^0,1 %) и элементов раскислителей значитель­ное количество кислорода вследствие низкой концентрации этих компонентов в поверхностном слое металла будет посту­пать в объем металла, что создает более благоприятные усло­вия для образования СО в металле на границе с неметалли­ческими включениями. В этом случае скорость окисления углерода определяется главным образом концентрацией уг­лерода на межфазной поверхности и скоростью доставки его в зону реакции.

Известно [228, 229], что при пропускании постоянного

тока через стальную проволоку концентрация углерода за­метно снижается у анода и возрастает у катода. По-видимому, подобное явление сохраняется и при прохождении постоянного тока через неподвижный жидкий металл. Однако вследствие интенсивного перемешивания металла сварочной ванны влия­ние электрического поля на перенос катионов углерода будет проявляться в условиях сварки в меньшей мере. Поэтому на процесс образования СО внешнее электрическое поле, оче­видно, не окажет заметного влияния. Следовательно, измене­ние полярности влияет на содержание в металле шва газов. Причем при сварке на прямой полярности, когда пористость выше, количество водорода в металле шва несколько возрас­тает, а содержание азота и выделяющейся окиси углерода уменьшается.

Теперь рассмотрим, как влияет изменение полярности на второй фактор, от которого зависит интенсивность образо­вания газовых зародышей: на межфазное и поверхностное натяжение металла и шлака. Насколько известно, изменение полярности не влияет на величину поверхностного натяжения расплавов, но может изменять величину межфазного натя­жения.

В условиях сварки под флюсом через границы металл — шлак и металл — жидкие неметаллические включения про­текает электрический ток. При этом величина тока, проходя­щего через границу расплавленные металл — шлак, может достигать значительной величины (см. рис. 17). Однако даже при низкой плотности тока величина межфазного натяжения может существенно измениться [66], что приведет к изменению условий возникновения газовых зародышей на границах между металлом и шлаком.

Для оценки происходящих изменений определим работу образования устойчивого газового зародыша на границе ме­талл — шлак с учетом изменения величины межфазного на­тяжения под действием электрического поля, для чего вос­пользуемся формулой (IV.28). При выполнении расчетов примем, что газовая фаза не влияет на величину поверхност­ного натяжения шлака, зародыш имеет сферическую форму, а отношение объемов и Ушл обратно пропорционально отношению величин поверхностного натяжения металла и шлака, т. е. VJVшл = аш_г/ом-г. Кроме того, для упро­щения расчетов примем, что объем газового зародыша равен единице. Вследствие этого допущения полученные значения величины работы образования устойчивого газового пузырь­ка не будут истинными.

Таблица 15. Работа образования газового зародыша ГГгет на границе металл — шлак разными газами при различных условиях Состав шла­ка, % ПО T, К Потенциал на металле 1. А/см» W гет, Ю-8 мДж массе) N* СО н* Si02 —83 1803 Отрицатель- 0,136 514,67 578,77 597,3 ный К20 — 17 То же Положи- 0,220 528,0 592,11 611,03 тельный 0,246 473,0 537,1 554,45 То же 0,529 446,0 510,1 526,66 Si02 — 83 1803 Отрицатель- 0,053 460,9 524,0 534,2 NaaO — 17 нын То же 0,140 475,6 537,2 548,5 » » 0,225 489,6 551,2 562,86 Положи­ тельный 0,146 440,6 502,2 512,5 То же 0,607 391,2 452,8 461,7 Si02 — 83 1903 Отрицатель- 0,148 529,4 551,96 570,7 ный К20 — 17 Положи­ тельный 0,292 501,8 524,3 542,4 То же 0,452 482,8 505,3 523,0 Si02 — 50 1803 Отрицатель- 0,525 677,2 744,8 779,0 ный CaO — 50 То же 0,770 707,1 774,8 809,0 Положи- 0,280 591,2 658,8 693.0 тельный То же 0,535 570,5 638,2 672,4 » » 0,820 570,5 638,2 672,4 Si02 — 50 1853 Отрицатель- 0,560 695,5 749,5 768,4 ный CaC^-50 Положи- 0,581 636,7 691,6 713,8 тельный То же 0,778 619,7 673,6 695,9 Si02 — 60 1803 Отрицатель- 0,145 748,1 821,1 843,3 НЫЙ MnO — 40 То же 0,280 748,5 821,5 843,7 » » 0,550 758,3 831,3 853,5 Положи­ тельный 0,262 768,84 842,8 863,7 То же 0,730 784,8 857,8 878,2

Результаты проведенных расчетов [70] с учетом влияния на величину ам_ш температуры, плотности тока и состава шлака сведены в табл. 15. Из нее видно, что в случае, когда на метал­ле — положительный потенциал, работа зарождения пузырь­ков на границе металла со шлаками или жидкими неметал­лическими включениями, состоящими из Si02 — CaO, Si02 — К20 и Si02 — Na20, будет меньше, чем в случае, когда на металле — отрицательный потенциал. Если шлак содер­жит 60 % Si02 и 40 % МпО, то работа зарождения практи­чески не зависит от величины и полярности тока, протекающе­го через границу металл — шлак.

Как видно, изменение полярности тока при сварке, вызы­вающее изменение величины межфазного натяжения, может существенно влиять на интенсивность зарождения пор в сва­рочной ванне, при этом характер и степень влияния будут зависеть от состава шлака и неметаллических включений.

Тот факт, что влияние полярности и рода тока на процесс порообразования во многом определяется влиянием внешнего электрического поля на межфазное натяжение, подтверждается результатами исследований образования пор при сварке на переменном токе. Как известно [1], в этом случае величина пористости сварного шва занимает промежуточное положение между значениями пористости при сварке на прямой и обрат­ной полярностях. Величина межфазного натяжения на гра­нице металл —шлак при поляризации переменным током [71] практически не изменяется (табл. 16) по следующей причине.

Таблица 16. Величина межфазиого натяжения иа границе металл — шлак 0М_Ш при поляризации переменным током Состав шла­ка, % (по массе) Темпера­тура, К о» а а* 'Л Состав шла­ка, % (по массе) Темпера­тура, к S О ft to s Si02 — 83 1803 0,121 948 Si02 — 50 1803 0 128 1134 Na20 — 17 0,283 949 СаО — 50 0,294 1132 0,564 951 0,585 •W32 Si02 — 83 1803 0,108 942 Si02 — 50 1853 0,133 998 К20— 17 0,315 940 СаО —50 0,361 990 0,606 940 0,624 996 Si02 — 83 1903 0,138 820 SiO, — 50 1803 0,126 800 К20 — 17 0.307 826 СаО'—50 0,306 815 0,586 813 0,578 807

Известно, что изменение величины межфазного натяжения связано с изменением плотности заряда и потенциала метал­ла, а также состава приэлектродных областей. Причем в сис­темах с оксидными расплавами существенное влияние на меж­фазное натяжение будет оказывать изменение концентрации ионов.

При наложении внешнего электрического поля эти изме­нения будут зависеть [50, 292] от рода тока, его предельной и фактической величины, частоты тока, исходной концентра­ции раствора и т. д.

В условиях сварки изменения концентрации при поляри­зации границы металл — шлак переменным током будут зна­чительно ниже, чем при поляризации ее постоянным током [71]. Поэтому не следует ожидать и существенного изменения величины межфазного натяжения в системе металл — шлак при прохождении в ней переменного электрического тока.

Из уравнений (IV.5), (IV.6), (IV.27), (IV.28) следует, что скорость образования газовых зародышей зависит от вели­чины поверхностного натяжения металла и, следовательно, от наличия в металле поверхностно-активных элементов. Оче­видно, что введение поверхностно-активных элементов будет снижать величину работы зарождения газовых пузырьков. Поэтому введение в железо таких компонентов, как 02, S, Si, Р, Se и других, снижающих поверхностное натяжение метал­ла [48, 88, 239, 310], облегчит появление газовых зароды­шей.

Особое место в ряду поверхностно-активных элементов занимает кислород, так как он обладает наибольшей поверх­ностной активностью в железе и сплавах на его основе. К тому же в последнее время при сварке самых различных материа­лов начали широко применять защитные газовые среды с до­бавками 02 [165, 222]. Одна из причин такого применения — снижение пористости сварного шва. Рассмотрим более по­дробно влияние кислорода на процесс зарождения пор при сварке сталей.

Ранее было отмечено, что при наличии 02 в металле вслед­ствие его высокой поверхностной активности изменяется ско­рость перехода азота и водорода через границу металл — газ. Поэтому наличие кислорода в металле может повлиять на сте­пень пересыщения его газами. Однако присутствие кислоро­да в металле может изменить и величину энергии зарождения газового пузырька. Как установлено в [98], при наличии кис­лорода в металле на межфазной границе всегда создается двойной электрический слой, появление которого должно из­менить условия образования и роста газового пузырька.

Электростатическая часть поверхностной энергии а5Л всег-/ да отрицательна [262] и может быть определена из следующего выражения [320]:

оЭл = 4яГ?, (ze)21Д,

где ze — заряд хемосорбированного иона; /д — длина диполя, которую можно принять равной радиусу иона кислорода; Гп — удельная плотность хемосорбированных ионов, Гп = _ ршах 0^. ртах — максимальная адсорбция кислорода; 0О — доля поверхности, занятая адсорбированным кисло­родом.

С учетом о, л уравнение для определения работы зарожде­ния газового зародыша в гомогенной среде запишутся следую­щим образом:

а) при образовании зародыша одним газом

16л (о _ — о)3 у2

д ' М—Г ЭЛ' М.

max — 3R2T2 (J n C/Cs)2

б) при образовании зародыша двумя газами

Приняв, как в работе [98], ГсГах = 1,29 • 101ватом/м2, lg = 1,38 ■ Ю-10 м; z = 2, получим, что азл ^ 1630 Оо - Та­ким образом, если 60 — достаточно большая величина, то оЭл будет заметно снижать величину поверхностного натяже­ния металла. Следовательно, на стадии зарождения пузырь­ков наличие кислорода в металле будет способствовать обра­зованию устойчивых зародышей.

Помимо внешнего электрического поля и наличия в метал­ле поверхностно-активных элементов на процесс порообразо­вания может существенно повлиять перемешивание металла сварочной ванны. Процесс перемешивания может быть естест­венным, возникающим в процессе сварки, а также искусствен­ным, возбуждаемым с помощью внешнего дополнительного электромагнитного поля или за счет введения в сварочную ванну ультразвуковых колебаний.

Из общих уравнений гидромеханики следует, что при уста­новившемся движении несжимаемой жидкости распределение давлений в потоке зависит от распределения скоростей ее перемещения. При этом давление может стать даже отрица­тельной величиной, если скорости будут достаточно большими.

^ Поскольку металлические расплавы неспособны восприни мать растягивающие напряжения, возникновение в отдельных участках объема сварочной ванны отрицательного давления должно привести к нарушению сплошности течения и образо­ванию полостей, заполняемых газом, выделяющимся из рас­плава. В этом случае процесс образования зародышей газовых пузырьков носит кавитационный характер.

Согласно расчетам [107], для нарушения сплошности гомо­генной жидкости необходимы чрезвычайно большие давления, порядка 980650 кПа. Однако жидкости, в том числе и распла­вы, всегда содержат различные примеси. При этом, согласно положениям теории растворов, наличие в растворе раствори­мых примесей, как правило, почти не влияет на прочность жидкости. Значит, только присутствие в расплаве неметалли­ческих включений и мельчайших пузырьков нерастворивших - ся в металле газов будет причиной вызывающей снижение прочности расплава.

Согласно [91], прочность гомогенного расплава

1—?—

[ 3 In (Ах)

а на границе расплав — твердое тело

(IV.32)

где Р„ — давление насыщенных паров; А — частотный мно­житель, А = 1036 с-1 см~3; А' — 1024 с-1 см-3; т — среднее время ожидания до появления первого зародыша.

Таким образом, наличие в металле сварочной ванны неме­таллических включений снижает прочность расплава и спо­собствует возникновению газовых зародышей. Причем, как следует из формулы (I V.32), чем ниже степень смачивания вклю­чения расплавом, тем легче произойдет образование зародыша.

Кавитация в расплаве может возникнуть также в резуль­тате обтекания расплавом неровностей, имеющихся на поверх­ности неметаллических включений и поверхности растущих кристаллов. При этом зоны пониженного давления, возника­ющие вследствие отрыва струи за необтекаемой шероховатостью,

v d

будут ПОЯВЛЯТЬСЯ, если._шсщ "|СР ^ 20, где Ошер — скорость по­тока, обтекающего шероховатость; с/шер — высота шероховато­сти; v — кинематическая вязкость расплава; для железа v = := 80 м2/с [290]. Значения высоты шероховатости, при

которой произойдет отрыв струи, приведены ниже: о м/с 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1

<іщЄр, м 0,032 0,016 0,008 0,005 0,004 0,003 0,002 0,0016

При электромагнитном перемешивании металла сварочной ванны, когда скорости потоков металла возрастают, вероят­ность обрыва струи и образования газовых зародышей за необтекаемой шероховатостью будет выше. При перемешива­нии металла благоприятные условия для возникновения га­зовых зародышей могут появиться и в объеме металла. Как известно [216], в перемешиваемой жидкости давление пони­жается на величину Гцрм/8я#п (Гц — циркуляция скорости жидкости; рм — плотность металла; Rn — радиус полости).

Таким образом, газовые зародыши могут возникнуть и в объеме металла, в местах, где циркуляция скорости жидкости велика. Это подтверждается данными исследования процесса образования газовых пузырей в зоне активного пятна дуги, где происходит интенсивное перемешивание металла [7]. К то­му же в этой зоне благодаря высокой температуре наблюдает­ся высокая концентрация газов, а также снижение величины поверхностного натяжения расплава.

Как было показано ранее, интенсивность образования га­зовых зародышей в гомогенной среде

'«4-А

I = Ае 3^3(1пС«>

где Сп — степень пересыщения металла газом.

При введении в сварочную ванну ультразвуковых коле­баний давление в различных частях объема, а значит, и сте­пень пересыщения будут изменяться. Если обозначить зна­чение пересыщения в данном объеме в любой момент времени через Сп (т), то отклонение степени пересыщения от первона­чального пересыщения для данного объема в любой момент времени составит ДСп (т) = Сп (т) — Сп, а максимальнее отклонение степени пересыщения ДСГ = Сах — Сп.

Если допустить, что в каждой точке расплава степень пересыщения под действием ультразвуковых колебаний из­меняется по гармоническому закону, то

ДСП(Т) = ДСГХС05^-Т,

где гт — продолжительность полного периода изменения сте­пени пересыщения.

Поскольку отношение 2п/гх — угловая частота колебаний степени пересыщения со, то ДСП (т) = ДСпах cos ют, а интен-

3R*T> [In (Cn + ДС™ах costot)]»

IV3K --------- Аб

Преобразовав показатель степени, найдем, что

или

где

&

(In Сп)2

(IV.33) Использовав первоначальные обозначения, уравнение (IV.33) запишем так:

(Ш сп)*

^ узк — /б

(IV. 34)

 

Анализ уравнения (IV.34) позволяет сделать следующие выводы: с наложением ультразвуковых колебаний интенсив­ность образования газовых зародышей возрастает, и чем мень­ше Сп, тем более эффективно воздействие ультразвука. Одна­ко нужно учесть, что наложение ультразвуковых колебаний способствует удалению газовых пузырей.