Пороками сварных швов кроме трещин являются поры, и неме­таллические (шлаковые) включения. Их появление определяется металлургическими процессами взаимодействия металла с окружа­ющей средой и процессами кристаллизации сварочной ванны.

Поры в сварных швах образуются, если в период кристалли­зации сварочной ванны происходит сильное газообразование и пу­зырьки газов не успевают удалиться из металла до его затвердева-

ния. Газовыделение из металла происходит либо в связи с хими­ческими реакциями в расплавленном металле, при которых продук­тами реакции являются газы, либо в связи с выделением из раствора пересыщающих его газов.

Подпись: <0 Типичным для первого случая является образование окиси угле­рода в металле при реакциях окислов с углеродом, например FeO+C—Fe-4-СО. Так как СО практически нерастворима в расплав­ленном железе, то в ре­зультате реакции произой­дет большое пересыщение металла и появится пузы­рек СО, который стремит­ся перемещаться в ванне в соответствии с разностью его плотности и плотности окружающей его жидкости. При сварке в нижнем по­ложении их удаление осу­ществляется через верхнюю поверхность ванны.

р Ьа£*-* , укт Значительное количест-

ъ Боо woo 1400 woo 2200 2600 шо во углерода в окисленном ^ Температура, °С металле ванны приводит к

весьма интенсивному об — Рис. V.3/ разованию СО, в резуль­

тате чего поверхность ванны пузырится, кипит. В частном случае газовой сварки чугуна при наличии на дне ванны твердого окисла газообразование может быть таким интенсивным, что в ванне обра­зуется сплошной газовый канал-трубка от дна ванны до ее поверх­ности. Более обычным является образование СО в виде отдельных пузырей, последовательно всплывающих в ванне.

В связи с тем что при малой концентрации углерода в жидком металле и определенных достаточных концентрациях других рас — кислителей (Ті, Si и др.) основные реакции раскисления будут происходить за счет этих элементов, газовыделение СО может быть в значительной степени подавлено. Поэтому в сварочных мате­риалах (присадке, электродной проволоке) для сварки сталей стре­мятся иметь содержание углерода небольшим, а количество других раскислителей достаточным для лодавления реакции образования окиси углерода.

Ряд газов хорошо растворяется в металлах, особенно жидких. Так, например, растворимость водорода и азота в твердом и жидком железе в зависимости от температуры показана на рис. VI.37. Как следует из этой зависимости, при понижении температуры ЖИДКОГО металла и особенно при кристаллизации растворимость этих газов уменьшается Скачкообразное изменение растворимости при кристал­лизации вызывает при равновесном или сверх равновесном содержа­нии водорода (азота) в перегретой стали интенсивное выделение газов.

Такое выделение в гомогенной жидкости представляет значитель­ные затруднения. Действительно, для того чтобы занять самосто­ятельный объем, выделяющийся газ должен создать давление рг большее, чем рш. Это определяется выполнением условия:

Рг Рвн+Рм^м+РыЛц+^с/г, (VI .27)

Подпись: Большая скорость кристаллизации Рис. VI.38
image209,image211 image210,image213

где Аш — внешнее (атмосферное) давление, обычно 1 кгс/см2; Рм. Рщ — плотность жидких металла и шлака; hu, hm — высота слоя

металла и шлака над зоной, где должен образоваться пузырек газа; о — поверхностное натяжение на границе металл — выделяющийся газ; г — радиус выделяющегося пузырька.

Для обычных условий сварки значения рмЛм и ртИш невелики.

Наибольшее влияние оказывает последний член правой части выражения (2а! г). В связи с тем что при г->0 2о/г со, образо­вание пузырька возможно либо при весьма большом местном пере­сыщении металла водородом, способного образовать пузырь больше некоторого критического размера, либо на готовых поверхностях раздела фаз при малых <т. Такими поверхностями раздела могут являться шлаковые частицы в сварочной ванне и фронт раздела твердого и жидкого металлов, где о-5-О. Возникающие на поверх­ности раздела фаз пузырьки, достигнув определенной величины, отрываются и всплывают. При большой скорости кристаллизации пузырек может отрываться не полностью, оставляя между кристал­литами зародыши для образования новых пузырьков (рис. VI.38).

Пористость в затвердевшем металле определяется тем, что во время кристаллизации могут возникать полости жидкой фазы, огра­ниченные уже образовавшейся твердой фазой, например в зоне кристаллитов вблизи границы сплавления, растущих с различной скоростью (см. рис. VI. 17). Выделяющиеся в этих полостях газы удалиться из металла уже не могут.

Аналогично рассмотренной схеме возможно появление пори­стости водородного происхождения при сварке алюминиевых сплавов, у которых общий характер изменения растворимости водорода при превращении жидкого металла в твердый такой же, как

у железа. В случае сварки алюминиевых сплавов, даже аргоноду­говой, значительное количество водорода вводится в сварочную ванну влагой, адсорбированной окислами на поверхности свари­ваемого металла и особенно на присадочной (электродной) прово­локе.

В связи с тем что значительное содержание растворенного водо­рода в жидком металле определяется его парциальным давлением в газовой фазе (см. гл. V), основным методом борьбы с водородной пористостью является снижение рн в газовой фазе и некоторая окисленность сварочной ванны, снижающая растворимость водорода в металле.

Методы снижения рн сводятся к уменьшению содержания воды в сварочных материалах (флюсах, электродах с покрытиями), уда­лению ржавчины и влаги со свариваемых изделий, а также связы­ванию водорода в термически стойкие соединения, нерастворимые в металле (например, HF).

Возможны такие реакции в покрытиях, флюсах и газовой фазе:

a) (CaF2)+H20^(Ca0)+2{HF}

б) 2 (CaF2) (-3 (Si02) ^ 2 (CaSiO,)+{SiFJ (VI.28)

в) SiF4+3H ^ {SiF} +3 (HF)

г) SiF4-f2 (Н20) ^ (SiCy +4 (HF)

Хотя, SiF4 является весьма важным соединением для осущест­вления связывания водорода в HF по реакциям виг, однако воз­можно связывание водорода в HF и при непосредственной реакции CaF2 с Н20 (реакция а).

Окисленность ванны снижает растворимость в ней водорода, уменьшая вероятность и пористости. С этой точки зрения, хотя электроды с покрытиями руднокислого типа обычно содержат доста­точное количество органических составляющих, выделяющих боль­шое количество водорода, окисленность сварочной ванны (обычно [02]м ш^0,05—0,06%) в некоторой степени ограничивает растворе­ние в ней водорода.

Окисленность газовой фазы может привести и к окислению водо­рода в ОН, также нерастворяемого в металле:

а) С03+Н:^:С0+0Н

б) О+Н^ОН (VI.29)

в) 02+Н2^20Н

Растворимость водорода в титане меняется по другому закону, чем в железе и алюминии. Изменение растворимости водорода в титане в зависимости от температуры показано на рис. VI.39. В этом случае вероятность образования пор водородного происхож­дения меньше, так как перепад растворимости при кристаллизации невелик.

Однако при аргонодуговой сварке титана как неплавящимся, так и плавящимся электродом в ряде случаев наблюдаются в шве
крупные газовые поры — удлиненные полости и сферические поры. Наиболее вероятным механизмом образования удлиненных полостей является захлестывание аргона из защитной струи жидким метал­лом при наличии местного углубления в центре ванны. Это, в част­ности, подтверждается и прямым определением содержания аргона в таких газовых полостях, получающихся при неблагоприятных режимах сварки. При сварке тонколистового титана наблюдаются сферические поры, связанные с повышен­ным содержанием водорода в реакционном пространстве и реакциями С с ТЮ.2 и Ті с Si02 с образованием газообразной моноокиси кремния (SiO).

image214Неметаллические (шлаковые) включения в металле сварных швов могут иметь различный размер и различ­ное происхождение. Крупные шлаковые включения в швах обычно связаны с на­рушениями в процессе кристаллизации.

Так, например, при ручной сварке приме­нение манипуляций электродом (поперечные колебания, возвратные движения в области уже частично закристаллизовавшейся части ванны) может привести к нарушению фронта растущих кристал­лов, создают новые полости жидкости, удаление из которых по­павших туда шлаковых частиц оказывается затрудненным.

При установившемся процессе кристаллизации в случае только продольного перемещения электрода такие шлаковые включения почти отсутствуют, исключая сварку на флюсовой подушке, когда всплывающие частицы расплавленного флюса через ванну с ее ниж­ней части могут также не успеть дойти до верхней части и застре­вают в затвердевающем металле.

Наличие в шве мелких шлаковых частиц является закономер­ным. Наиболее мелкие частицы возникают непосредственно в сва­рочной ванне, как результат ряда химических реакций, например раскисления окисла железа кремнием (с получением SiO„), марган­цем (с получением МпО) и др.

Скорость всплывания шлаковых частиц зависит от их плотности и размера. Так, для спокойной жидкости скорость всплывания v см/с мелких частиц определяется формулой Стокса:

ц=(2/9)[г2 (Рм — Рш) ёЫ1 (VI.30)

где г — радиус всплывающих частиц шлака, см; г) — вязкость жидкости, пз; g — ускорение силы тяжести, см/с2; рм, рш — плотно­сти жидкого металла и шлака, г/см3.

Для движущейся жидкости эта формула отражает только общую тенденцию к разделению металла и шлака. Качественный анализ по формуле Стокса показывает, что только мелкие частицы SiOz не успевают удалиться из сварочной ванны. В неудаляющихся круп­ных частицах должны относительно преобладать более тяжелые окислы (например, МпО).

Кроме того, необходимо учитывать и возможность укрупнения, коагуляции шлаковых частиц. Эти процессы медленнее происходят с тугоплавкими частицами (А1203, Si0.2), в связи с чем они должны оставаться главным образом в виде мелких включений. Результаты анализа шлакового покрова швов и неметаллических включений в швах, по данным А. А. Алова, приведены в табл. VI.5.

Таблица VI-5

Состав шлаковых включений в швах, выполненных различными электродами
для сварки низкоуглеродистых сталей

Состав шлака, % | Шлаковые включения

хЧарка

электрода

О

М по

е

р

о

«и

и.

І размер Q І включений сз I О 1

количество, к массе

металла

сГ

сос

о

£

та в £

о

УОНИ-13/55

31,0

4,6

2,2

7,9

42,0 Крупные

0,014

27,2

28,2

28,2

7,1

QMM-5

27.3

28,9

15,2

13,2

3,6 »

0,032

23,3

32,1

14,0

Дисперсные

0,082

52.5

9,4

8,1

Оставшиеся в металле шва неметаллические включения могут иметь различными не только размеры, но и форму. іЧеньшее влия­ние на свойства металла шва оказывают глобулярные включения, большее — вытянутые, остроугольные. Они снижают ударную вяз­кость, а также предел усталости металла, мало влияя на резуль­таты испытаний статической нагрузкой.

На процессы коагуляции шлаковых частиц и удаления их из сварочной ванны, а также на форму остающихся в металле шва включений, основное влияние оказывает их химический состав, определяемый как составом исходного шлака, так и реакциями в сварочной ванне.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите основные характеристики геометрических размеров свароч­ной ванны.

2. Как схематически определить длительность пребывания металла в свароч­ной ванне в расплавленном состоянии? Произведите расчет размеров и формы ванны для одного из режимов и определите максимальное время пребывания металлов в расплавленном состоянии от границы сплавления к ее центру (j/=0).

3. Охарактеризуйте процессы взаимодействия металл — шлак в сварочной ванне.

4. Рассмотрите основные положения, определяющие затвердевание жидкого металла. Чем определяется скорость затвердевания металла в изложницах и формах?

5. В чем заключаются ликвационные процессы при кристаллизации? Какие виды химической неоднородности вызывает кристаллизация? Рассмотрите распре­деление ликвирующих примесей при кристаллизации слитков в изложницах?

6. В чем заключаются основные особенности, влияющие на кристаллизацию металла в условиях сварки?

7. Как изменяются соотношения подвода и отвода тепла к различным участ­кам границы раздела твердого и жидкого металлов в сварочной ванне?

8. Чем определяется скорость роста кристаллитов при кристаллизации металла в сварочной ванне?

9 Дайте характеристику роста кристаллитов в сварочной ванне; ©характери­зуйте строение и размеры кристаллитов в сварных швах.

10. Какими методами можно воздействовать на первичную кристаллизацию

при сварке?

11 Рассмотрите ликвапионное распределение примесей в металле однослой­ных швов.

12 Чем вызывается дендритная неоднородность при кристаллизации? Особен­ности дендритной неоднородности в сварных швах.

13 Что представляет собой зона особого состава в металле однослойных швов, вызываемая процессами перемешивания основного и наплавляемого метал­лов? Влияние на нее режима сварки.

14. Чем вызывается неоднородность состава многослойных наплавок и швов?

15. Каковы основные особенности механических свойств сплавов при высоких температурах?

16. Рассмотрите причины, вызывающие горячие трещины при сварке.

17. Какие существуют меры борьбы с горячими трещинами при сварке?

18. ■ Рассмотрите причины пористости сварных швов и меры борьбы с пори­стостью.

19- Какие неметаллические включения обнаруживаются в сварных швах? Их происхождение и основные характеристики.