Сварка порошковой проволокой

Пористость швов при сварке порошковой проволокой

Условия зарождения и развития пор в сварных швах

Пористость — один из наиболее распространенных дефектов сварных швов при дуговой сварке. Образование пор является следствием выделения газов из металла при кристаллизации сварочной ванны. Выделение газов происходит при снижении растворимости или протекании в жидком металле химических реакций. Для описания механизма зарождения и развития пор при сварке сталей целесообразно использовать кинетический метод.

В общем случае процесс образования пор можно разделить на две стадии — зарождение и развитие газового пузырька. Для зарождения пузырька необходимы, по крайней мере, три условия: 1) перенасыщение жидкого металла газом; 2) наличие центра; 3) определенная выдержка элементарного объема жидкого металла (инкубационный период) при соблюдении первых двух условий, так как скорость образования газового зародыша критического размера конечна. Развитие пузырька происходит во времени и определяется скоростью атомарной и конвективной диффузии, концентрацией газа в металле (степенью перенасыщения), а также скоростью его десорбции. Сформулированные условия зарождения и развития пузырька вытекают из общих принципов теории фазовых процессов.

Перенасыщение жидкого металла газами. Перегретый металл капель и ванны, взаимодействуя с активизированными дугой водородом и азотом, при определенных парциальных давлениях этих газов в атмосфере дуги адсорбирует их в количествах, значительно превышающих стандартную растворимость водорода и азота в металле.

Выше (см. параграфы 5 и 6) отмечалось, что растворимость водорода и азота в жидком железе достигает максимума при температуре 2300—2400° С и снижается с уменьшением температуры металла. В результате этого при охлаждении жидкого металла может быть достигнуто значительное перенасыщение сварочной ванны газами во всем ее объеме.

Растворимость водорода и азота в жидком железе значительно выше, чем в твердом. Поэтому их можно рассматривать как примеси в стали с коэффициентом распределения, меньшим единицы. При контакте жидкого и твердого железа, содержащего водород или азот, будет происходить перераспределение этих газов между фазами путем диффузии.

Результаты численного исследования перераспределения водорода и азота в сварочной ванне для случая движения фронта кристаллизации с многократным чередованием процесса кристаллизации и остановок его позволили прийти к следующим выводам:

изменение скорости роста кристаллов оказывает значительное влияние на перераспределение водорода между сварочной ванной и закристаллизовавшимся металлом;

чем больше скорость кристаллизации, тем быстрее происходит насыщение жидкости водородом перед фронтом кристаллизующегося металла;

концентрация водорода в жидкости перед фронтом закристаллизовавшегося металла растет по мере увеличения количества остановок (рис. 77).

Таким образом, в определенном неперемешивающемся слое жидкого металла на границе с твердым металлом у фронта кристаллизации возможно локальное перенасыщение (экспериментально такое перенасыщение пока установить не удавалось).

Зарождение пузырьков газа. Работа L образования газового пузырька объемом V с поверхностью F определяется разностью значений конечной и начальной потенциальной энергии давления

соответственно газа и жидкости, а также работой, затраченной против действия сил поверхностного натяжения жидкости и адгезии стенки, т. е. известным соотношением

максимальное; при любом значении G это отношение будет наибольшим в узких впадинах (зазор между свариваемыми деталями, границы зерен неоплавившихся кристаллов основного металла, впадины между растущими кристаллами при зубчатом фронте кристаллизации). В процессе образования газового пузырька необходимая энергия, явная работе L, создается при выделении атомарного газа из жидкости и твердой фазы в газовую полость с образованием молекулярного газа по реакции

Величину L в первом приближении можно считать пропорциональной перенасыщению жидкой и твердой фаз газом в зоне оказования пузырьков, т. е.

— перенасыщение жидкого и твердого металла газом.

— характерный размер газового пузырька, получим, что минимальное значение R при прочих равных условиях определяется выражением

возможно при значительно больших его первоначальных размерах и требует большей работы (см. формулу (46)). Величина зародыша зависит также от диффузионного потока газа из твердой фазы. Очевидно, если газ будет диффундировать из твердого тела в жидкую фазу, вероятность зарождения пор значительно увеличится.

Оценка направления диффузионного потока водорода дана в работе на основе решения уравнения диффузии для случая движения фронта кристаллов. Установлено, что при непрерывном движении границы раздела фаз, связанном с кристаллизацией жидкой фазы, диффузионный поток газа в твердой фазе вблизи границы раздела всегда направлен в твердую фазу, т. е. этот поток не оказывает благоприятного влияния на зарождение пузырьков, он скорее даже препятствует ему.

всегда имеет место отношение

Увеличение объема пузырька за элементарный период времени роста dx

Соответствующее количество газа, появляющееся в пузырьке,

— количество газа в пузырьке в единице объема последнего.

из которого следует, что скорость изменяется пропорционально коэффициенту диффузии и уменьшается с увеличением радиуса пузырька.

Используя выражение (54), можно оценить время, за которое пузырек достигает размеров, характеризуемых величиной R

можно приближенно

принять равным I—2 см*/см ?.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для образования газового пузырька, размеры которого соответствуют регистрируемым размерам макропор в металле сварного шва (более 1 мм), необходимо достаточно большое время, если подвод газа определяется только атомарной диффузией, что характерно для непере-мешивающегося слоя у границы раздела фаз. Это позволяет сделать вывод, что во время движения фронта кристаллизации возникновение пузырька водорода маловероятно, поскольку скорость роста кристаллов обусловливается скоростью отвода тепла, которая по крайней мере на два порядка выше скорости диффузии водорода в жидком металле. Еще менее вероятно в этом случае образование пузырьков азота.

Более благоприятны условия для образования пор вблизи фронта кристаллизации во время остановки. Локальное пересыщение жидкого металла газом в узком неперемешивающемся слое и направление диффузионного потока газа в жидкую фазу способствуют образованию пор. Однако условия для роста здесь достаточно ограниченные, поскольку продолжительность остановки мала.

Период остановки роста кристаллов определяется временем отвода скрытой теплоты кристаллизации и теплоты перегрева, т. е. зависит от режима сварки и физических свойств металла шва. Для стали длительность остановки обычно не превышает 0,1—0,2 сек, что недостаточно для развития макропоры радиусом 0,5 мм и более вследствие атомарной диффузии азота в железе.

обусловленная локальным

перенасыщением, в процессе роста пузырька газа резко уменьшается, так как толщина слоя с высоким перенасыщением у фронта

но не может способствовать их достаточному росту

при незначительной средней концентрации газа в объеме жидкой ванны. Для развития зародыша в пузырек определенных размеров (R > 0,5 мм) — пору — необходим интенсивный подвод газа из жидкого металла главным образом путем конвективного массо-переноса из объема сварочной ванны, перенасыщенной газам. - в следствие уменьшения их растворимости при охлаждении металла.

— внешнее давление.

больше 1 атм. При термодинамических расчетах определяют скрытое давление газов в металле сварочной ванны, представляющее собой сумму парциальных давлений газов, выделяющихся из ванны в результате протекания всех возможных реакций в условиях равновесия.

Скрытые парциальные давления газов, выделяющихся при кристаллизации, можно приближенно определить из уравнений;

где [HI — содержание водорода в металле, %; SH — растворимость водорода в железе при температуре плавления, Sh = 0,0027%;

=0,040%.

— коэффициенты активности углерода

и кислорода.

При расчетах количество растворенного кислорода обычно принимают равным

Приближенные термодинамические расчеты по приведенной схеме позволяют в определенной мере оценить вероятность возникновения пор в металле и выявить роль отдельных газов в возникновении пористости по результатам химического и газового анализов металла шва. Поскольку условия кристаллизации сварочной ванны далеки от равновесных , то приведенный выше расчет дает лишь качественную картину. Для получения более точных сведений необходим учет кинетических факторов.

Из газов, способствующих возникновению пористости металла, наиболее диффузионно подвижным является водород, поэтому его роль в возникновении пористости при наличии условий, по-видимому, является ведущей. В то же время реакция окисления углерода может вызывать пористость лишь при весьма высоких концентрациях кислорода в металле, поскольку углерод и кислород диффундируют со значительно меньшими скоростями, чем водород.

Важную роль в возникновении и развитии газовых пузырьков играют поверхностно-активные элементы. Блокируя межфазную поверхность жидкий металл — газ, они замедляют десорбцию газа и способствуют перенасыщению металла ванны газами, особенно в холодной ее части, в момент времени, непосредственно предшествующий затвердеванию металла. В таком направлении действуют, в частности,- углерод и кремний.

Скорость роста пузырьков, как указывалось выше, определяется степенью перенасыщения металла сварочной ванны газами и кинетикой их десорбции в зародыши. При наличии поверхностно-активных элементов скорость десорбции газов невелика, развитие пузырька происходит в объеме вязкого металла, в котором скорость всплывания пузырька понижена. В этих условиях часто образуются наружные поры — свищи.

Образование же мельчайших пор у линии сплавления наиболее вероятно в случаях локального перенасыщения жидкого металла у фронта кристаллизации в момент остановки и в местах с наибольшей длительностью остановок.