Наличие в сварных швах крупных макропор можно объяснить тремя причинами: 1) коалесценцией микропузырьков; 2) раз­витием газовых полостей, находящихся в основном металле, а при многослойной сварке — в предыдущем слое, за счет давления присутствующих в них газов; 3) ростом газовых зародышей за счет диффузии в них газов из металла.

Рассмотрим особенности каждого из этого процессов и преж­де всего коалесценцию пузырьков. Как известно, давление внут­ри пузырька больше, чем давление в жидкости около него на величину АР = 2ог. Поэтому если в расплаве будут находить­ся два пузырька с радиусами гх и г2, то для первого из них превышение давления составит АРХ = 2a, V1, а для второго — АР2 — 2а/г2. При слиянии этих пузырьков давление внутри вновь образовавшегося пузырька за счет сил поверхностного натяжения будет ДР£ = 2а/г12, где г18 — радиус образовав­шегося пузырька.

Изменение свободной энергии системы dG в результате коалесценции пузырьков при постоянных Р и Т составит

dG =4^ по (г*2 — г — ф.

Если У12 — Vx - г V2, то г12 < гг + г2, и тогда выражение в скобках будет отрицательной величиной. Следовательно, слияние двух пузырьков в один приводит систему в более рав­новесное состояние и может происходить самопроизвольно.

Однако процесс коалесценции во многом обусловливается энергией взаимодействия пузырьков газа и прочностью пленки расплава между сближающимися пузырьками. Прочность пленки определяется кинетическим, термодинамическим и структурно-механическим факторами, действующими так же, как и в случае коалесценции неметаллических включений.

Расклинивающее давление, возникающее между пузырь­ками при их сближении, в отличие от расклинивающего дав­ления при сближении неметаллических включений, будет

PD — ам_г (— + —). Причем, поскольку наличие кислорода

в металле приводит к появлению двойного электрического слоя на границе металл — газовый пузырек, то очевидно, что введение кислорода в металл затруднит прохождение про­цесса коалесценции. По-видимому, повышение термодинами­ческой устойчивости пленок расплава является одним из фак­торов, объясняющим наличие в металле шва при сварке в окислительных средах большого количества мелких пор.

При столкновении двух пузырьков дополнительное давле­ние в большом пузырьке будет меньше, чем в маленьком, поскольку Tj > г2. Поэтому пленка расплава между столкнув­шимися пузырьками будет изгибаться внутрь большого пузырь­ка до тех пор, пока она сможет выдерживать это давление. Сле­довательно, вероятность процесса коалесценции пузырьков зависит от разности давлений:

АР = ЛР2 — АР1 = 2 ам_г (-І—i-j = 2а„_г

Таким образом, с увеличением отношения размеров столк­нувшихся пузырьков давление, действующее на пленку, будет расти, а значит, увеличится и вероятность коалесценции. Для пузырьков одинакового размера вероятность коалесценции очень мала. Возможность коалесценции пузырьков в свароч­ной ванне подтверждается данными [227].

Следует отметить, что на коалесценцию газовых пузырьков будут влиять ультразвуковые колебания, вводимые в свароч­ную ванну, а также, по-видимому, электромагнитное переме­шивание металла сварочной ванны, так как при этом умень­шается стабильность пленок.

Рассмотрим следующие возможные механизмы роста газо­вых пузырей в сварочной ванне. При сварке возможен случай, когда в переплавляемом металле уже есть газовая полость, об­разовавшаяся ранее. Если эта полость попадет в зону горения дуги, то за счет повышения температуры давление газа в ней возрастает, и, находясь в расплавленном металле, размеры полости будут увеличиваться. Необходимым условием роста газового пузырька является выполнение соотношения

2а

Ра<Р*и----------- (IV.35)

где Рн и Рвн — соответственно наружное и внутреннее давле­ние на стенку пузырька.

В условиях сварки наружное давление, препятствующее росту газового пузырька, состоит из атмосферного давления

Pam, давления дуги на металл сварочной ванны Рд и давления, обусловленного вязкостью расплава Рвн == [264].

Отметим, что давление дуги заметно влияет лишь на рост пу­зырьков, находящихся в зоне активного пятна.

Величину Рв„ при условии, что рост газового пузырька происходит npj постоянной температуре, можно найти из уравнения Ру<Уъ = PvVx, где Ру0 и К0 — давление газа в пузырьке и объем пузырька при т = 0; Ру и V% — давле­ние газа в пузырьке и объем пузырька при т >■ 0.

Поскольку V0 = 4лго/3, а V = 4лл3/3, то Ру = Руе rl/rs. Тогда уравнение (IV.35) можно записать в следующем виде:

Уравнение (IV.36) позволяет определить мгновенную скорость роста газового пузырька на различных стадиях. Анализ уравне­ния (IV.36) свидетельствует о том, что при развитии пузырька из находящейся в основном металле полости скорость его рос­та в основном обусловливается величиной вязкости расплава. Причем в этом случае рост газового пузырька не зависит от содержания газов в расплаве и будет происходить с уменьша­ющейся во времени скоростью.

Однако для сварщиков более интересен случай роста пу­зырька за счет диффузии газов, так как этот случай более ха­рактерен для сварочных процессов. При диффузионном росте газового пузырька из устойчивого газового зародыша с кри­тическим радиусом гкр превышение внутреннего давления над наружным, происходящее за счет увеличения массы газа в пузырьке, можно найти из уравнения Менделеева — Кла­пейрона, записав его в следующем виде:

АР = _Рг_ RT'

где рг — плотность газа; рг — молярная масса газа; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.

Из совместного рассмотрения уравнений (IV.35) — (IV.37) получим

Ct = riр PV'VJRT, Нх = рг (Рзтм + РЛ)1ЯТ и помня, что масса газа в пузырьке m — 4/Зя/-3рг, выражение для изменения массы во времени записываем

-4дав*(-ж-)'— <IV-38>

Если изменение массы газа в пузырьке происходит только за счет диффузии его из металла, то увеличение массы в пузырь­ке равно уменьшению массы газа в металле [261]: =

— —DSгде D — коэффициент диффузии; S — поверх­ность, через которую происходит массообмен; —гра­диент концентрации растворенного в расплаве газа в направле­нии, нормальном к поверхности переноса.

Изменение концентрации растворенного газа во времени в направлении х при отсутствии конвективных составляющих скорости потока, согласно второму закону Фика, определится дС д2С

из уравнения —1 = D - gj~- Для стационарного процесса дс д^С

= 0, и тогда - g~- = 0. В случае диффузии вещества че­рез пленку справедливо равенство

Сг — ——fy - х + Сг>

где Сг, Сг — концентрации растворенного газа в объеме рас­плава на расстоянии 6С от поверхности раздача фаз и на по­верхности раздела соответственно; 8С — толщина диффузион­ного слоя.

Отсюда градиент концентрации clCJdx = (Сг — Сг)/6с и = — D4nr2 Cs^cC~- (IV.39)

Экспериментальные данные [40, 101, 182] свидетельствуют о том, что изменение радиуса газового пузырька, растущего в жидкости, пропорционально корню квадратному из времени, т. е. г = ер ()/т). Также изменяется во времени и толщина диф­фузионного слоя 8С [170]. Таким образом, можно считать, что г — гбс, где z — какое-то число. Приняв, как и в работе [211],
г = 1 и приравняв уравнения (IV.38) и (IV.39), получим

fB* - І-4.]-!--

= — D (Сt — Сг),

или, обозначив D (Сг — Сг) через Ki и умножив обе части уравнения на —1, будем иметь

Для решения уравнения (IV.40) воспользуемся приближен­ным методом, в основу которого положим формулу Тейлора. Разбив рассматриваемый отрезок времени на достаточно боль­шое количество равных частей и использовав ЭВМ, проведем расчеты при численных данных работы [51]. Величина крити­ческого радиуса была принята равной 10 '6 м. В результате подтвердились данные [213, 338] о том, что при диффузионном росте пузырька силы вязкости практически не влияют на про­цесс роста пузырька. Мало и влияние сил поверхностного на­тяжения (рис. 49). Даже четырехкратное изменение о„_г не­значительно повлияло на скорость роста пузырька. Основное влияние на скорость роста газового пузырька в этом случае оказывают степень пересыщения жидкого металла газом (рис. 50), величина внешнего давления и скорость мас - сопередачи.

Известно, что введение в расплав поверхностно-активных элементов заметно влияет на скорость массопередачи. Одной из причин этого влияния может быть адсорбция молекул на меж-

Рис. 49. Изменение радиуса газового пузырька во времени:

1 — См_ _г = 1510 мДж/м*: Ратм + Р. = 0,103 МПа; ! — СТМ_Г = 6040 мДж/м*; Ратм + Рд = 0,103 МПа: 3 — ом_г =» 1510 мДж/мс; Ратм + Рд = 0.206 МПа.

Рис. 50. Изменение радиуса пузырька во времени при содержании в ме­талле газов 8 ■ 10~6 г/см5 (1) и 32 • 10~6 г/см8 (2).

фазную поверхность, что приводит к снижению величины ак­тивной поверхности контакта или, другими словами, к увели­чению поверхностного сопротивления. Поверхностное сопро­тивление Rs связано с концентрацией поверхностно-активных веществ С, соотношением [296]:

где Л0 — эффективная площадь поперечного сечения адсорби­рованных молекул; Г“ — концентрация молекул на поверх­ности.

Поверхностная концентрация какого-либо элемента свя­зана с его объемной концентрацией следующим выражением [204]:Tf=FiNJ'^FiNi, где Лґ£ — объемная концентрация компо-

І

нента; FL —величина, характеризующая поверхностную актив­ность примеси.

По данным [204], при температуре металла 1933 К для раз­личных элементов величина Ft составит

Fe С Si Mn S О Н N

1 2,0 2,2 6,0 500 1000 1,0 150

Таким образом, в наибольшей мере на скорость массопере - дачи могут повлиять кислород и сера. Однако нужно учесть, что при наличии в расплаве нескольких поверхностно-актив­ных элементов поверхностная активность каждого из них мо­жет заметно измениться. Например, известно, что наличие кислорода в расплаве повышает поверхностную активность ванадия и фосфора [197], присутствие углерода — активность серы [280] и марганца [36], азота — углерода, кремния и ни­келя [27]. Эти изменения поверхностной активности компонен­тов обусловлены [173] образованием соединений в поверхност­ном слое и бывают тем заметнее, чем сильнее различаются ато­мы по величине электроотрицательности. Поэтому в многоком­понентных системах, какими являются стали, блокирующее действие поверхностно-активных элементов может про­явиться в большей мере, чем при сварке относительно чистых металлов.

Поскольку при сварке и наплавке иногда применяют элект­ромагнитное перемешивание металла и введение в сварочную ванну ультразвуковых колебаний, рассмотрим, как повлияет использование этих приемов на процесс роста газового пу­зырька.

При распределении в расплаве ультразвуковых колебаний взвешенные в нем пузырьки газа будут совершать колебатель­ные движения, подвергаясь периодическому сжатию и расши­рению. Колебание пузырька в звуковом поле приводит [97] к интенсификации переноса газа из расплава в пузырек даже в случае, когда раствор недонасыщен газом. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, при расширении пузырь­ка его поверхность больше, чем при сжатии, и поэтому в пу­зырек при его расширении газа поступает больше, чем удаля­ется при сжатии. Во-вторых, колебания пузырька приводят к периодическому уменьшению толщины диффузионного слоя и повышению концентрации газа.

Кроме того, как показали исследования [97], у поверхности пузырька при его колебании возникают микропотоки, нали­чие которых также приводит к снижению толщины диффузион­ного слоя.

Наблюдаемое усиление дегазации металла сварочной ван­ны при наложении электромагнитного поля, очевидно, обус­ловлено уменьшением толщины диффузионного слоя, а также, возможно, и появлением в расплаве зон пониженного давле­ния, в которых пузырьки газа имеют более благоприятные ус­ловия для своего роста.

Нужно отметить, что введение ультразвуковых колебаний [97], а также электромагнитного перемешивания, при котором увеличивается вероятность столкновения пузырьков, способ­ствуют коалесценции пузырьков.