Раздел V. ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ И ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

НАЗАД: 4.7. Рафинирование металла шва при сварке плавлением

5.1. Дефекты первичной кристаллизации металла шва

5.1.1. Поры в металле шва

Поры (газовые включения) – один из основных дефектов металла шва. Они снижают расчетное сечение шва, нарушает герметичность сварных соединений, являются концентраторами напряжений. Поры могут стать источником усталостного разрушения сварных соединений с поперечными и продольными швами, особенно в тех случаях, когда они расположены в зонах высоких растягивающих напряжений. При этом их размеры и взаимное расположение не имеют значения.

Корифей в области исследования металлургических процессов при сварке плавлением, разработке сварных материалов К.В. Любавский писал: «Вопрос образования пор до настоящего времени не может считаться вполне ясным». Поэтому все научные статьи, посвященные анализу пористости сварных швов, носят дискуссионный характер.

Необходимым условием образования пор в металле шва является пересыщение кристаллизующегося металла газами в связи с:

- понижением растворимости газов (кислорода, азота, водорода) при охлаждении сварочной ванны;

- металлургическими процессами с образованием нерастворимых газов.

Выделяются из кристаллизующегося металла лишь молекулярные газы. Они могут образовываться по следующим реакциям:

[C] + [O] = CO (5.1)

2[H] + [O] = H₂O (5.2)

[H] + [O] = OH (5.3)

[FeO] + [C] = [Fe] + CO (5.4)

[NiO] + [C] = [Ni] + CO (5.5)

2 [N] = N₂ (5.6)

2 [H] = H₂ (5.7)

3 [H] + [N] = NH₃ (5.8)

Ранее считалось, что опасным в отношении пор в сталях является содержание азота и водорода превышающее предельную их растворимость в d-Fe при температуре кристаллизации (это составляет 6,8 см³/100г).

Сейчас при многих способах сварки удается получить плотные сварные швы при содержании в них газов значительно выше предельной растворимости при температуре кристаллизации (см. табл. 18).

Таблица 18. Максимальное содержание газов в плотных швах при сварке сталей

Газ	Max растворимость в d-Fe при Т^опл		Max содержание в плотных швах
	%	см^3/100 г	%	см^3/100 г
Азот	0,03	48	При СОДГП
			0,06	100
Водород	0,002	25	При РДС, покрытие «Ц»
			0,004	50
Кислород	0,16	224	Сварка меловым электродом
			0,22	300

Точных данных о составе газов, образующих поры, нет. Установлено, что пористость вызывается одновременным воздействием нескольких газов. Такими газами являются:

- при сварке низкоуглеродистых и высокопрочных сталей:

СО + Н; СО + N; N + H; N + O;

- при сварке нержавеющих аустенитных сталей в аргоне:

N + H; N + CO; N + Ar;

- при сварке алюминиевых сплавов:

H + N; H + Ar; H + O.

Известно взаимное влияние азота и водорода на пористость сварных швов при сварке сталей. Чем выше содержание водорода в металле шва, тем опаснее в отношении пористости азот. Чем выше концентрация азота в металле шва, тем опаснее водород. Если повышать содержание азота и водорода одновременно, то пористость наступает при относительно низких концентрациях этих газов в металле. Поэтому существует мнение, что азот и водород вступают в реакцию (5.8). Согласно закону действующих масс, скорость образования NH₃ по этой реакции пропорциональна произведению [% N] × [% H]³. Поскольку здесь водород в третьей степени, то его влияние на пористость будет значительно сильнее.

Если [N] » [H] £ 8 см³/100 г, то газовые пузыри не получают развития. Поры возникают в случае, когда [H] > 5,1 см³/100 г, а [N] > 35 см³/100 г. Азот не способен активно выделяться в виде газовой фазы. При низком содержании водорода (например, наплавка голым электродом на малом токе) азот самостоятельно пор практически не вызывает, хотя его содержание в металле шва максимальное.

Если же по металлу, содержащему азот, наплавить шов под флюсом, возникает сильная пористость, так как при сварке даже под сухим флюсом содержание водорода в металле шва относительно велико (только диффузионного примерно 7,3 см³/100 г).

Повышенное содержание азота и водорода в металле шва вызывает пористость. Достаточно снизить содержание водорода в 2 раза, чтобы обезвредить в отношении пористости азот даже при увеличении его содержания в шве в 10 раз.

Исследовано совместное влияние кислорода и азота на пористость низколегированных сталей при РДС электродами с основным покрытием (см. рис. 52).

Рис.52. Влияние содержания газов на пористость шва при сварке низколегированных сталей

Пониженное содержание кислорода в металле шва за счет лучшего его раскисления позволяет получить беспористые швы при существенном пересыщении металла азотом. Наличие же окисной пленки на поверхности металла снижает растворимость азота, уменьшает вероятность пористости наплавленного металла.

Возникновение пузырька газа возможно, если сумма парциальных давлений выделяющихся газов Р_выд выше внешнего давления Р. При рассмотрении процессов возникновения пузырьков в сварочной ванне обычно пренебрегают гидростатическим давлением слоя металла и шлака. Тогда условие возникновения пузырька записывается в виде неравенства:

(5.9)

где Р_выд – сумма парциальных давлений выделяющихся газов;

Р – атмосферное давление;

s - поверхностное натяжение металла на границе с газом;

r_кр – радиус пузырька критического размера.

Процесс образования поры разделяют на две стадии – зарождения и развития газового пузырька. Для зарождения пузырька необходимы по крайней мере три условия [16]:

1 - пересыщение жидкого металла газом;

2 - наличие центра – газового зародыша;

3 - определенная выдержка элементарного объема жидкого металла (инкубационный период) при соблюдении условий 1 и 2.

Развитие пузырька определяется в основном массопередачей газа из окружающих объемов металла. Этот процесс происходит во времени, определяемом скоростью диффузии и концентрацией газа в металле (степенью пересыщения).

Роль зародышей берут на себя те газы, которые не образуют химических соединений с металлом – окись углерода СО, водород Н₂.

Пузырьки газа возникают там, где работа на их образование минимальная:

- в зазорах между свариваемыми деталями;

- на границах зерен неоплавившихся кристаллов основного металла;

- во впадинах между растущими кристаллитами при зубчатом фронте кристаллизации.

Чаще всего пузыри возникают на плохо смачиваемых поверхностях. Такими поверхностями могут быть шлаковые включения. В сварочной ванне могут быть элементы или химические соединения, способствующие преодолению того «энергетического барьера», с которым связано появление устойчивого газового зародыша. Это сера, фосфор, алюминий, кремний, ржавчина.

Наиболее опасный стимулятор возникновения газовых зародышей – азот. Если защитить металл от азота, то нейтрализовать водород можно за счет некоторой окисленности газовой фазы, например, углекислым газом.

Лазарсон Э.В. рассмотрел [17] склонность металлов к пористости в зависимости от изменения растворимости водорода при охлаждении.

Таблица 19. Изменение растворимости водорода в металлах при охлаждении и склонность к пористости от водорода

Металл	D[Н]кр, см^3/100 г	D[Н]ж, см^3/100 г	D[Н]кр + + D[Н]ж, см^3/100 г			Склонность к пористости от водорода
1	2	3	4	5	6	7
Ni	21,1	60,8	81,9	2,1	1,7	Небольшая
Fe	10,9	46,7	57,6	2,6	1,8	-«»-
Cu	4,7	30,2	34,9	2,5	7,0	Большая
Al	0,65	48,3	49,0	13,8	65,5	Очень большая

Примечание: обозначения см. на рис. 53.

Рис.53. Диаграмма зависимости растворимости газа от температуры

Сравнение данных граф 2 и 7 табл. 19 показывает, что хотя количество выделяющегося при кристаллизации водорода уменьшается от никеля к алюминию, склонность к порам в том же направлении возрастает. Следовательно, пористость не определяется величиной скачка равновесной растворимости при кристаллизации. Графы 3, 4, 5 так же не объясняют причину разной склонности металла к пористости.

Только графа 6 указывает на соответствие между величиной отношения [Н]_{ж max} к и склонностью металла к пористости.

Следует отметить, что величина D[Н]_ж для всех рассматриваемых металлов значительно превышает D[Н]_кр, т.е. за счет температурного снижения растворимости из жидкого металла может выделяться гораздо больше водорода, чем за счет скачкообразного падения растворимости при кристаллизации. Однако при близких значениях D[Н]_ж (Fe и Al) склонность к пористости может быть различной.

Получается, что для возникновения пористости важно не абсолютное количество способного к выделению газа, а значение относительного пересыщения жидкого металла газом.

По-видимому, это объясняется тем, что для образования даже сильной пористости не требуется большого по объему количества газа. В то же время отношение пересыщающей концентрации к равновесной определяет вероятность образования газовых зародышей, без которых образование пор невозможно.

Анализ данных по водороду и азоту позволяет сделать следующие выводы:

1. Склонность к пористости не определяется величиной скачкообразного падения равновесной растворимости газа при кристаллизации.

2. Главным условием образования пор является пересыщение жидкого металла газом и возникновение газовых пузырьков до начала кристаллизации.

Взгляды разных авторов на механизм образования пористости отличаются в первую очередь их отношением к моменту появления газовых зародышей. Одни признают решающее значение процессу кристаллизации металла, другие – стадии пребывания металла в жидком состоянии до начала кристаллизации.

В связи с этим можно говорить о двух гипотезах, по-разному объясняющих процессы, приводящие к пористости сварных швов.

Первая гипотеза

Поры зарождаются на границе сварочной ванны в период кристаллизации, поэтому важны свойства поверхности раздела жидкого и твердого металлов. Развитие газовых зародышей до макропузырьков происходит в период кристаллизации на границе раздела жидкой и твердой фаз.

Пузырьки, образовавшиеся до кристаллизации, легко всплывают и удаляются из ванны. Пузырьки, образовавшиеся на границе кристаллизации, частично всплывают, а частично остаются в металле.

Кристаллизующийся металл захватывает растущие пузырьки газа. Образуются поры в металле шва.

Вторая гипотеза

Поры зарождаются в металле до начала кристаллизации. Возможность появления зародышей зависит от пересыщения жидкого металла газом и наличия в нем поверхностей раздела.

Пузырьки могут развиваться от момента зарождения в объеме ванны до затвердевания металла. Пузырьки всплывают преимущественно до начала кристаллизации. Возможность удаления пузырьков зависит от времени существования ванны и скорости развития пузырьков.

Кристаллизующийся металл захватывает уже образовавшиеся пузырьки газа. Образуются поры в металле шва.

Возможно, оба механизма порообразования могут иметь место в зависимости от условий сварки.

Особенностью термического цикла металла сварочной ванны является то, что нагреваемый дугой металл обязательно проходит стадию охлаждения в интервале температур от Т_м до Т_пл, и соответственно реализуется снижение равновесной растворимости от [r]_{ж max} до . Скачкообразное же изменение концентрации газа при кристаллизации может иметь место только в условиях медленного охлаждения.

Можно предположить, что при малых скоростях сварки или наплавки преимущественное развитие получают процессы порообразования, описываемые первой гипотезой. Вторая гипотеза, по-видимому, более справедлива для условий сварки на средних и высоких скоростях при значительном уровне газонасыщенности металла сварочной ванны.

Технологические меры борьбы с пористостью металла шва:

- лучшая газовая и шлаковая защита зоны плавления от воздуха;

_- минимальное количество влаги в сварочных материалах;

- отсутствие загрязнений на поверхности основного металла и сварочной проволоки;

- минимальное количество загрязнений в металле шва (оксидов, нитридов, фосфидов, сульфидов), т.е. лучшая раскисленность и рафинирование сварочной ванны;

- сварка короткой дугой;

- замедленная скорость охлаждения.

Для подавления реакции образования СО необходимо хорошее раскисление сварочной ванны. Для подавления водородной пористости необходимо связать водород в соединения, нерастворимые в металле (ОН, HF).

ДАЛЕЕ: 5.1.2. Шлаковые включения в металле шва