Наиболее радикальным средством, ведущим к устранению не­металлических включений в сварном шве, было бы исключе­ние или достаточно сильное снижение содержания 02, N2, S
в металле шва. Однако этот путь настолько технически сложен и экономически невыгоден, что осуществить подобное на прак­тике невозможно. Поэтому на основании материала, изложен­ного в данной главе, рассмотрим меры по снижению вредного влияния неметаллических включений за счет уменьшения их количества, размеров и придания им благоприятной формы и места расположения в шве.

Повторим еще раз, что удалить неметаллические включе­ния из сварного шва можно только в том случае, если металл сварочной ванны покрыт слоем шлака или оксидной пленкой достаточной толщины. Это возможно при сварке с примене­нием флюсов, флюсопаст, при сварке в окислительных газовых средах, когда на поверхности сварочной ванны образуется ок­сидная пленка, и в электрошлаковых процессах.

При сварке в инертных газах добиться заметного удаления неметаллических включений из сварочной ванны невозможно. В этом случае можно только уменьшить количество образовав­шихся в сварочной ванне неметаллических включений, их размер, повлиять на форму образующихся включений и на место их расположения.

Очевидно, что количество неметаллических включений будет тем меньше, чем меньше образуется зародышей этих включений. Из рассмотрения процесса возникновения устой­чивых зародышей следует, что они образуются легче, если в сварочной ванне находятся компоненты, имеющие низкое межфазное натяжение на границе с металлом. Для сталей это прежде всего FeO, МпО и FeS. Степень пересыщения ма­точного раствора выделяющейся фазой должна быть гораздо больше в случае образования зародышей AI203, Si02, MgO, Ті02, СаО и других компонентов, имеющих высокие значения

Ом—III*

Возможность одновременного участия в образовании не­металлических включений нескольких компонентов и ступен­чатого процесса возникновения включений выдвигает требова­ния по ограничению в сварочной ванне компонента, имеюще­го низкую величину Ом—ш- Нежелательно попадание в сва­рочную ванну экзогенных тугоплавких включений, которые благодаря хорошей смачиваемости их расплавами оксидов и сульфидов могут стать центрами выделения этих включений.

Наличие поверхностей раздела выполняет особенно важную роль в процессах выделения легкоплавких сульфидов и окси­дов. При этом состав подложек может заметно повлиять на форму и место выделения включений. Например, в чистом армко-железе или в металле с высоким содержанием углерода за счет хорошего смачивания их сульфидом железа последне­му легче выделиться по границам зерен. Причем в этом случае он может образовать сплошные прослойки. Повышение со­держания в металле Сг, Si, Mn, Ni, Ті ухудшает смачиваемость и затрудняет выделение сульфидов железа на поверхности кристаллов. Поэтому выделившиеся сульфиды будут зани­мать лишь отдельные участки или приобретут глобулярную форму, что менее опасно. Образованию окснсульфидных вклю­чений будет способствовать наличие в сварочной ванне FeO, которое смачивается расплавом гораздо лучше, чем тугоплав­кие оксиды А1208 и Si02.

Поскольку форма неметаллических включений зависит и от температуры плавления включения, казалось бы, что предпоч­тительнее образование жидких включений, которые, имея сферическую форму, в меньшей мере снижают механические характеристики сварного соединения. Однако такие включе­ния легче объединяются при встрече, чем твердые, и склонны к захвату растущими кристаллами. Последнее обстоятельство приводит к образованию скоплений включений, что нежела­тельно. Причем, чем больше размеры присутствующих в сва­рочной ванне включений, тем выше вероятность образования таких скоплений.

Увеличению размеров неметаллических включений в сва­рочной ванне будет способствовать одновременное присут­ствие жидких и твердых включений, различные размеры вклю­чений, процесс перемешивания металла сварочной ванны.

Рост сульфидных включений, а частично, и оксидных, может происходить и за счет диффузии вещества из расплава на поверхность включения. Этот рост будет происходить тем быстрее, чем выше начальное содержание в расплаве компонен­тов, участвующих в его росте ([О], [S]), чем больше будет коэффициент диффузии этих компонентов и меньше их концен­трация во включении.

Среди исследователей бытует мнение, что увеличение раз­меров неметаллических включений — положительное явле­ние, поскольку крупные включения, согласно закону Стокса, должны быстрее всплывать, а это приведет к очищению метал­ла. Однако результаты последних исследований свидетель­ствуют о том, что скорость удаления неметаллических вклю­чений в первую очередь связана с процессом перемешивания металла, а размеры включений мало влияют на скорость их удаления. Поэтому, очевидно, целесообразно применять меры, ведущие к торможению процесса роста неметаллических вклю­чений. Прежде всего необходимо снижать время существова­ния сварочной ванны, так как при этом снижается вероятность роста включений и за счет диффузии, и за счет их объедине-

ния при столкновении. Кроме того, поскольку твердые вклю­чения труднее соединяются между собой, то присутствие только твердых включений в сварочной ванне уменьшает скорость их роста.

Эффективным средством для уменьшения количества и размеров неметаллических включений в сварном шве в тех случаях, когда металл сварочной ванны не покрыт шлаком, является вакуумирование. В этом случае происходит раство­рение неметаллических включений, причем процесс этот мо­жет закончиться за время существования сварочной ванны.

При сварке с применением флюсов или флюсопаст за счет перехода неметаллических включений в расплавленный шлак можно снизить количество неметаллических включений, в ос­новном оксидов, в сварном шве. Скорость этого процесса определяется скоростями выхода неметаллических включений на границу металл — шлак и ассимиляцией включений шла­ком. Особенно важное значение в этом случае имеют смачива­емость включений шлаком и вязкость шлака, а при ассимиля­ции жидких включений — их вязкость. При высокой вязкос­ти шлака и плохой смачиваемости включений шлаком вклю­чения, вышедшие на границу металл — шлак, могут быть снова увлечены потоками металла в объем сварочной ванны.

Разрыв металлической пленки, предшествующий выходу неметаллических включений на границу металл — шлак, про­исходит легче, если включение твердое. Поскольку твердые включения поглощаются шлаком лучше, чем жидкие, при сварке под флюсом должны легче удаляться алюминатные (твердые) и хуже — силикатные (жидкие) включения.

На процесс удаления включений существенно влияет и перемешивание металла сварочной ванны. При этом увели­чение скорости перемешивания металла, уменьшение ширины сварочной ванны и размеров включений повышают скорость их удаления. Переходу неметаллических включений из метал­ла в шлак способствует процесс перемешивания шлака.

Таким образом, хотя форма твердых неметаллических включений менее благоприятная, чем у жидких, они менее склонны к росту, легче выходят на границу металл — газ или металл — шлак и быстрее поглощаются шлаком. Однако не следует забывать, что твердые неметаллические включения могут способствовать выделению на них жидких включений и к тому же, о чем будет сказано в следующей главе, облегчать образование пор. Поэтому при введении в сварочную ванну тех или иных компонентов для связывания [ОІ и [S] нужно учитывать, какие дефекты являются менее опасными для дан­ного изделия.