Поры в сварных швах
Порами называют заполненные газом полости в швах, имеющие округлую,
вытянутую или более сложную форму. Они возникают при первичной
кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов.
Поры располагаются по оси шва или по его сечению, а также вблизи от
границы сплавления. При дуговой сварке поры выходят или не выходят на
поверхность шва (рис. 6-24, а, б), располагаются цепочкой по оси шва
(рис. 6-24, а) или отдельными группами (рис. 6-24, в). Поры, выходящие
на поверхность шва, иногда называют свищами. При электрошлаковой сварке
и дуговой сварке с принудительным формированием поры не выходят на
поверхность шва (рис. 6-24, г), что обусловлено более ранним
затвердеванием примыкающей к формирующим устройствам части металла
сварочной ванны. Поры могут быть микроскопическими (несколько
микрометров) и крупными (4—6 мм в поперечнике).
Выходящие на поверхность поры выявляются при внешнем осмотре. Поры, не
выходящие на поверхность, выявляются теми же методами, что и не
выходящие на поверхность трещины. Поры — недопустимый дефект сварных
швов для аппаратуры, работающей под давлением и под вакуумом или
предназначенной для хранения и транспортировки жидких и газообразных
продуктов. Для других конструкций поры не являются столь серьезным
дефектом, как трещины. Однако наличие пор при всех условиях
нежелательно. Вопрос о допустимости пор решается в зависимости от
условий эксплуатации конструкции.
Рис. 6-24. Поры в металле шва:
а — выходящие на поверхность шва;
б — не выходящие на поверхность шва;
в — групповое расположение пор;
г — расположение пор при электрошлаковой сварке
Если образование и выделение газов при сварке происходит в период, когда
металлическая ванна находится в жидком состоянии, и протекает
интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться. Их
выделение не только не приводит к образованию пор, но оказывает
рафинирующее действие на сварочную ванну, снижая ее газонасыщенность.
Если же образование и выделение газов происходит в период затвердевания
ванны и проходит вяло, пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в
металле в виде пор.
Образование пор в швах на стали от выделения водорода и азота
обусловлено резким снижением их растворимости в процессе затвердевания
металла сварочной ванны. Находящиеся в жидком состоянии железо и его
сплавы могут растворять значительные количества водорода и азота. По
мере остывания металла растворимость этих газов снижается. При
уменьшении температуры вплоть до температуры плавления растворимость
снижается постепенно и образовавшиеся пузырьки свободно всплывают на
поверхность жидкой ванны. При затвердевании металла снижение
растворимости водорода и азота происходит скачкообразно. Например, при
затвердевании низкоуглеродистой стали растворимость азота снижается в 4
раза, а водорода в 1,7 раза.
Более низкая растворимость водорода и азота в твердом металле по
сравнению с растворимостью их в жидком металле ведет к обогащению
расплава этими газами, что способствует зарождению газовых пузырьков на
поверхности раздела жидкого и твердого металлов. При резком увеличении
количества выделившегося газа не все пузырьки успевают всплыть на
поверхность сварочной ванны, часть их остается в шве.
Поры от окиси углерода возникают при недостаточной раскисленности
металла сварочной ванны. Растворенные в жидкой стали углерод и кислород
реагируют между собой по реакции [С] + [О] = СО. (6-1)
Образующаяся при этом окись углерода может давать начало зародышам
газовой фазы или же выделяться в уже существующие пузырьки других газов.
Для возникновения зародышей окиси углерода необходимы определенный
избыток содержаний углерода и кислорода над равновесным и благоприятные
условия для зарождения газовой фазы.
В реальных условиях сварки пористость швов обычно вызывается совместным
действием нескольких газов. Если в процессе затвердевания металла
сварочной ванны сила внутреннего давления в газовом зародыше или
пузырьке заметно превышает барометрическое давление, металл будет кипеть
и в шве появятся поры. Сила внутреннего давления в газовом зародыше или
пузырьке состоит из парциальных давлений отдельных газов.
Водород поступает в атмосферу дуги, а из нее в сварочную ванну из
ржавчины, влаги и других загрязнений, находящихся на поверхности
свариваемых кромок и присадочного металла, из защитного газа или из
материалов, входящих в состав покрытия или флюса.
Уменьшить растворение водорода в металле сварочной ванны можно
ограничением доступа водорода и водяного пара в зону сварки; снижением
парциального давления водорода и водяного пара в атмосфере дуги за счет
связывания водорода в HF и разбавления его другими газами; снижением
растворимости водорода в жидком металле вследствие окисления или
легирования последнего; уменьшением растворения водорода в металлической
ванне технологическими способами (применением постоянного тока,
изменениями режима сварки, применением соответствующих сварочных
материалов и т. п.); удалением водорода из металлической ванны при ее
кипении; увеличением времени удаления водорода из металлической ванны.
ея и влаги и просушивать. Чтобы избежать концентрации влаги на
свариваемых кромках, рекомендуется их нагревать до температуры 100° С и
выше. Ржавчину, масло или краску можно выжигать кислородно-ацетиленовой
горелкой или резаком. Сварочную проволоку следует очищать от следов
волочильной смазки и других загрязнений, избегать операции травления
проволоки при ее волочении (лучше производить светлый отпуск). Сварочные
электроды необходимо надежно упаковывать и хранить в сухом помещении.
Защитный газ следует применять с минимальной влажностью. Флюс должен
быть хорошо прокален.
Азот поступает в зону сварки, а из нее в сварочную ванну из окружающей
атмосферы, а также из расплавляемых основного и дополнительного
металлов. Избежать пористости от азота можно путем ограничения
растворения азота в жидком электродном металле и металлической ванне до
величин, меньших растворимости азота в твердом металле; повышения
растворимости азота в твердом металле; связывания азота в металле шва в
стойкие нитриды.
Растворение азота в металле ограничивают применением газовой или
шлаковой защиты зоны сварки от доступа воздуха. Кроме того, нужно
исключить все другие возможности поступления азота в зону сварки.
Содержание азота в основном металле и сварочной проволоке не должно
превышать допустимого. Нельзя выполнять прихватки, монтажные и
подварочные швы электродами со стабилизирующим покрытием или покрытыми
электродами с отбитой обмазкой. Содержание азота в защитных газах должно
быть минимальным.
Повышение растворимости азота в твердом металле и связывание его в
стойкие нитриды требуют дополнительного легирования металла шва
элементами, обладающими большим химическим сродством к азоту. К таким
элементам принадлежат титан, алюминий, церий, цирконий и др. Вводить в
металлическую ванну нитридообразующие элементы целесообразно лишь тогда,
когда нет возможности ограничить доступ азота в зону сварки.
К металлургическим способам предупреждения пористости от азота
принадлежит также дегазация жидкого металла при его кипении. В
частности, этот способ применяют при сварке и наплавке под флюсом
металла с повышенным содержанием азота. Для этого иногда используют
сварочную проволоку с повышенным содержанием углерода.
Среди кислородных соединений окись углерода и водяной пар отличаются
тем, что при температурах существования жидкой стали они находятся в
газообразном состоянии. В связи с этим одной из важнейших задач
раскисления сварочной ванны является предупреждение образования этих
газов во время затвердевания металла. Чтобы избежать пористости от
выделения газообразных кислородных соединений, в зону сварки вводят
элементы с высоким химическим сродством к кислороду, образующие твердые
или жидкие окислы. Соединяясь с кислородом, эти элементы тормозят
реакции образования окиси углерода и водяного пара. Эффективность
действия элементов-раскислителей характеризуется их раскислительной
способностью, т. е. их способностью снижать концентрацию кислорода в
стали. О раскислительной способности элементов можно судить по рис.
6-25, на котором показано количество кислорода, находящегося в
равновесии с данным количеством элемента. Количество растворенного в
жидком металле кислорода будет тем меньше, чем выше химическое сродство
к кислороду данного элемента и больше его концентрация в расплаве.
Небольшие присадки титана и алюминия могут подавлять реакцию образования
окиси углерода в жидкой стали.
Кремний при достаточной его концентрации в расплаве также способен
подавить образование окиси углерода. Раскисляющая сила углерода
практически не изменяется с изменением температуры, тогда как
раскисляющая сила кремния при снижении температуры возрастает. В
равновесных условиях при температуре затвердевания стали кремний
является лучшим раскислителем, чем углерод. Поэтому кремний способен
остановить реакцию образования окиси углерода и успокоить кипение
твердеющей стали. Связанный с титаном, алюминием, кремнием и другими
сильными раскислителями кислород уже не может взаимодействовать с
углеродом.
Рис. 6-25. Раскислительная способность элементов при температуре 1600° С
(А. М. Самарин)
При сварке плавлением раскисление осуществляется путем введения
элементов-раскислителей в сварочную ванну из основного металла,
сварочной проволоки, электродного покрытия, керамического флюса и т. п.
При наличии достаточного количества сварочного шлака раскисление может
осуществляться за счет восстановления кремния и марганца из шлаковой
фазы.
На пористость швов существенно влияет скорость кристаллизации сварочной
ванны. При большой скорости кристаллизации металла рост кристаллитов
обгоняет рост и всплывание пузырька газа, и пузырек запутывается в
металле, в результате чего образуется пора. Снижение скорости сварки,
увеличение объема сварочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной
металл и увеличение его начальной температуры снижают скорость
кристаллизации металла и уменьшают пористость швов. Некоторое влияние
оказывает и форма сварочной ванны. Повышение значения коэффициента формы
шва приводит к уменьшению вероятности возникновения пор, так как при
этом улучшаются условия для всплывания пузырьков в результате
выдавливающего действия растущих дендритов.
Источник: Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением.
Под ред. акад. Б.Е. Патона. М., Машиностроение, 1974
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
