Одним из наиболее часто встречающихся дефектов сварных швов являются поры. Так как их появление часто провоцируется нарушениями технологии изготовления электродов, рассмотрим этот весьма сложный процесс, о механизме которого существуют различные точки зрения.

Возникновение пористости связано с образованием газовых пу­зырьков в жидкой сварочной ванне и фиксацией их в металле при его кристаллизации. В зависимости от конкретных условий причи­нами образования пористости могут явиться такие газы, как водо­род, азот и оксид углерода.

Возникновение и развитие пор определяется совместным дей­ствием всех газов, присутствующих в металле. Однако чаще всего основное влияние принадлежит какому-либо одному из перечис­ленных газов. Существенно также влияние физических свойств сварочных шлаков.

Ранее было отмечено, что вместе с ростом температуры жидкого металла количество растворенного газа возрастает. В области высо­ких температур (капли жидкого металла, головная часть сварочной ванны) количество растворенного газа может превысить его рас­творимость (то количество газа, которое растворяется в жидком металле при температуре плавления и внешнем давлении газа в 101 кПа). В результате сварочная ванна в ее хвостовой, менее на­гретой части окажется пересыщенной газом, особенно на границе с кристаллизующимся металлом.

Излишний по сравнению с равновесным содержанием газ будет выделяться из металла. При этом он способен создавать давление (давление выделения), превышающее атмосферное. Если выделе­ние газа в атмосферу с поверхности металла происходит легко, то образование и развитие газового пузырька внутри металла затруд­нено и требует затрат энергии.

Образование зародыша газового пузырька происходит легче всего на границе между жидкой фазой и кристаллизующимся твер­дым металлом. Особенно легко это происходит во время остановок кристаллизации, продолжительность которых для стали обычно не превышает 0,2 с. Дело в том, что в процессе кристаллизации про­исходит повышение концентрации газа в слое жидкого металла на его границе с образующейся твердой фазой. Во время движения фронта кристаллизации содержание газов в твердом металле становится равным его исходному содержанию в жидком металле. Так как растворимость газов в твердом металле меньше, чем в жид­ком, то при остановке кристаллизации газ, в первую очередь водо­род, из затвердевшего металла начнет диффундировать в жидкий металл. Учитывая, что слой жидкого металла уже пересыщен га­зом, вероятность возникновения стойкого зародыша в это время возрастает.

Дальнейшее развитие и рост зародыша будут происходить в том случае, если сумма давлений выделения всех газов, растворенных в металле, превышает атмосферное давление.

Рассмотрим условия возникновения пористости при сварке эле­ктродами с покрытиями различных видов. При этом объединим в одну группу электроды с покрытиями следующих видов: кислым, рутиловым, целлюлозным. Общим для таких покрытий является наличие органики, главным образом в виде целлюлозы, создающей достаточную газовую защиту от атмосферы воздуха и кислых окси­дов в количествах, обеспечивающих развитие умеренного кремне­восстановительного процесса, а также применение в качестве рас - кислителя главным образом ферромарганца.

Сумма парциальных давлений остаточного водорода, азота и ок­сида углерода в наплавленном металле существенно превышает ат­мосферное давление. Каким же образом пересыщение наплавлен­ного металла газами сочетается с возможностью получения беспо - ристых швов?

Прежде всего, следует отметить, что жидкий металл, наплавляе­мый электродами этой группы, имеет при сравнительно высоких температурах повышенное содержание растворенного кислорода, что существенно снижает вязкость металла. Из трех рассмотрен­ных газов водород содержится в швах в большем количестве, и его парциальное давление, как правило, превышает атмосферное дав­ление. При этом диффузионная подвижность водорода в жидком металле на два-три порядка выше диффузионной подвижности азота, кислорода и углерода, необходимого для образования оксида углерода.

Приведенные особенности электродов рассматриваемой группы создают благоприятные условия для возникновения зародышей на фронте кристаллизации и их дальнейшего развития, главным обра­зом, за счет диффузии в них водорода.

В результате образующиеся газовые пузырьки растут быстрее, чем движется фронт кристаллизации. Пузырьки, достигнув опреде­ленного размера, отрываются и всплывают, что и обеспечивает отсутствие пористости в швах.

При введении в покрытие электродов сильных раскислителей (ферросилиций, алюминий, углерод) окислительный потенциал покрытия снижается. Это приводит к росту коэффициента перехо­да марганца из покрытия в наплавленный металл, к более интен­сивному развитию кремневосстановительного процесса или приро­сту кремния за счет его перехода из ферросилиция, вводимого в по­крытие. При этом изменяется также и химический состав образую­щегося шлака, а следовательно, и его свойства. В первую очередь повышается вязкость шлака, снижается его окислительная способ­ность и газопроницаемость.

Примерно к таким же результатам приводит прокалка электро­дов рассматриваемой группы при высоких температурах, превыша­ющих рекомендованные. Это снижает концентрацию влаги в по­крытии и вызывает обугливание органики. Все вместе взятое спо­собствует развитию кремневосстановительного процесса.

При повышенной концентрации кремний взаимодействует с кислородом, начиная с высоких температур. Это повышает вяз­кость и поверхностное натяжение жидкого металла. Кроме того, кремний затрудняет выделение водорода из металла. В результате образование и рост газовых пузырьков происходит вяло. Металл кристаллизируется быстрее, чем растут пузырьки газа, и в металле возникает внутренняя пористость.

В связи с повышением вязкости шлака может возникнуть также большая наружная пористость. Чаще всего это бывает, когда вяз­кий шлак покрывает ту часть сварочной ванны, в которой происхо­дит образование газовых пузырьков. Густой шлак задерживает об­разовавшиеся пузырьки газа на границе металл — шлак и не позво­ляет им выделиться в атмосферу.

Для предупреждения возможности образования пор при сварке электродами рассматриваемой группы необходимо:

• при изготовлении — строго соблюдать рецептуру покрытия и требования технической документации к компонентам и техно­логии изготовления, обращая особое внимание на соблюдение предусмотренных режимов прокалки;

• при применении — строго выдерживать предписанные режимы силы сварочного тока. В случае чрезмерного увлажнения произ­водить дополнительную прокалку в соответствии с технической документацией.

Сварку рекомендуют производить через 2-3 дня после прокал­ки с целью стабилизации влажности покрытия электродов в усло­виях цеха.

При сварке электродами с покрытием основного вида карбо­наты, содержащиеся в таких покрытиях в больших количествах, при высокой температуре разлагаются с выделением углекислого газа. При сварке короткой дугой обеспечивается достаточно мощ­ная защита сварочной ванны от воздействия воздуха, в связи с чем содержание азота в швах обычно не превышает 0,02%. Так как в со­став покрытия электродов входят сильные раскислители (кремний, титан), наплавленный металл по типу относится к спокойной стали с концентрацией кремния 0,2-0,4%. Поэтому содержание общего кислорода, связанного главным образом с кремнием, обычно нахо­дится в пределах 0,02-0,04%.

Температура прокалки электродов с покрытием основного вида достигает 380-420 °С.

Учитывая низкое содержание в покрытии пластификаторов, имеющих в своем составе связанную влагу, содержание в швах сум­марного водорода, как правило, не превышает 6-8 мл/100 г. Каза­лось бы, пористость в таких швах должна всегда отсутствовать. Од­нако на практике нередки случаи получения пористых швов. Рас­смотрим возможные причины их образования.

При сварке длинной дугой в атмосферу зоны сварки проникает воздух, а, следовательно, и азот, который в существенном количе­стве может раствориться в жидком металле при высокой темпе­ратуре.

При охлаждении жидкого металла до температуры кристалли­зации'растворимость азота резко снижается, и металл на фронте кристаллизации может оказаться пересыщенным этим газом. Так как скорость кристаллизации будет превышать скорость роста пузырьков, в сварных швах появятся поры.

При сварке электродами с увлажненным покрытием в атмо­сфере дуги появятся пары воды, диссоциация которых сопровож­дается появлением атмосферного водорода. В этом случае жидкий металл на фронте кристаллизации может быть пересыщен водоро­дом. В связи с медленным ростом пузырьков кристаллизующийся металл их зафиксирует, и в сварных швах появится пористость.

При сварке по окисленным, ржавым поверхностям возможно местное пересыщение металла как кислородом, так и водородом. Пористость возникает на фронте кристаллизации в результате

образования пузырьков газа как за счет водорода, так и за счет оксида углерода.

С целью снижения чувствительности электродов с основным покрытием к пористости при их изготовлении следует жестко огра­ничить введение в покрытие минеральных и органических пласти­фикаторов, содержащих соединения водорода, трудноудаляемые в процессе прокалки. Режимы прокалки должны полностью соответ­ствовать требованиям технической документации.

Сварку необходимо выполнять только по зачищенным поверх­ностям, на токовых режимах, соответствующих указаниям доку­ментации. Перед употреблением электроды надо прокалить.