Пути снижения вредного влияния неметаллических включений в сварных швах

Наиболее радикальным средством, ведущим к устранению неметаллических включений в сварном шве, было бы исключение или достаточно сильное снижение содержания 02, N2, S в металле шва. Однако этот путь настолько технически сложен и экономически невыгоден, что осуществить подобное на практике невозможно. Поэтому на основании материала, изложенного в данной главе, рассмотрим меры по снижению вредного влияния неметаллических включений за счёт уменьшения их количества, размеров и придания им благоприятной формы и места расположения в шве.


Повторим ещё раз, что удалить неметаллические включения из сварного шва можно только в том случае, если металл сварочной ванны покрыт слоем шлака или оксидной плёнкой достаточной толщины. Это возможно при сварке с применением флюсов, флюсопаст, при сварке в окислительных газовых средах, когда на поверхности сварочной ванны образуется оксидная плёнка, и в электрошлаковых процессах.

При сварке в инертных газах добиться заметного удаления неметаллических включений из сварочной ванны невозможно. В этом случае можно только уменьшить количество образовавшихся в сварочной ванне неметаллических включений, их размер, повлиять на форму образующихся включений и на место их расположения.


Очевидно, что количество неметаллических включений будет тем меньше, чем меньше образуется зародышей этих включений. Из рассмотрения процесса возникновения устойчивых зародышей следует, что они образуются легче, если в сварочной ванне находятся компоненты, имеющие низкое межфазное натяжение ка границе с металлом. Для сталей это прежде всего FeO, МпО и FeS. Степень пересыщения маточного раствора выделяющейся фазой должна быть гораздо больше в случае образования зародышей А1203, Si02, MgO, Ti02, СаО и других компонентов, имеющих высокие значения
Ом—ш>


Возможность одновременного участия в образовании неметаллических включений нескольких компонентов и ступенчатого процесса возникновения включений выдвигает требования по ограничению в сварочной ванне компонента, имеющего низкую величину ам—ш. Нежелательно попадание в сварочную ванну экзогенных тугоплавких включений, которые благодаря хорошей смачиваемости их расплавами оксидов и сульфидов могут стать центрами выделения этих включений.


Наличие поверхностей раздела выполняет особенно важную роль в процессах выделения легкоплавких сульфидов и оксидов. При этом состав подложек может заметно повлиять на форму и место выделения включений. Например, в чистом армко-железе или в металле с высоким содержанием углерода за счёт хорошего смачивания их сульфидом железа последнему легче выделиться по границам зёрен. Причем в этом случае он может образовать сплошные прослойки. Повышение содержания в металле Сг, Si, Mn, Ni, Ti ухудшает смешиваемость и затрудняет выделение сульфидов железа на поверхности кристаллов. Поэтому выделившиеся сульфиды будут занимать лишь отдельные участки или приобретут глобулярную форму, что менее опасно. Образованию оксисульфидных включений будет способствовать наличие в сварочной ванне FeO, которое смачивается расплавом гораздо лучше, чем тугоплавкие оксиды А1А и Si02.

 

Поскольку форма неметаллических включений зависит и от температуры плавления включения, казалось бы, что предпочтительнее образование жидких включений, которые, имея сферическую форму, в меньшей мере снижают механические характеристики сварного соединения. Однако такие включения легче объединяются при встрече, чем твёрдые, и склонны к захвату растущими кристаллами. Последнее обстоятельство приводит к образованию скоплений включений, что нежелательно. Причём, чем больше размеры присутствующих в сварочной ванне включений, тем выше вероятность образования таких скоплений.


Увеличению размеров неметаллических включений в сварочной ванне будет способствовать одновременное присутствие жидких и твёрдых включений, различные размеры включений, процесс перемешивания металла сварочной ванны.


Рост сульфидных включений, а частично, и оксидных, может происходить и за счёт диффузии вещества из расплава на поверхность включения. Этот рост будет происходить тем быстрее, чем выше начальное содержание в расплаве компонентов, участвующих в его росте ([О], [S]), чем больше будет коэффициент диффузии этих компонентов и меньше их концентрация во включении.


Среди исследователей бытует мнение, что увеличение размеров неметаллических включений — положительное явление, поскольку крупные включения, согласно закону Стокса, должны быстрее всплывать, а это приведёт к очищению металла. Однако результаты последних исследований свидетельствуют о том, что скорость удаления неметаллических включений в первую очередь связана с процессом перемешивания металла, а размеры включений мало влияют на скорость их удаления. Поэтому, очевидно, целесообразно применять меры, ведущие к торможению процесса роста неметаллических включений. Прежде всего необходимо снижать время существования сварочной ванны, так как при этом снижается вероятность роста включений и за счёт диффузии, и за счёт их объединений я при столкновении. Кроме того, поскольку твердые включения труднее соединяются между собой, то присутствие только твёрдых включений в сварочной ванне уменьшает скорость их роста.


Эффективным средством для уменьшения количества и размеров неметаллических включений в сварном шве в тех случаях, когда металл сварочной ванны не покрыт шлаком, является вакуумирование. В этом случае происходит растворение неметаллических включений, причём процесс этот может закончиться за время существования сварочной ванны.


При сварке с применением флюсов или флюсопаст за счёт перехода неметаллических включений в расплавленный шлак можно снизить количество неметаллических включений, в основном оксидов, в сварном шве. Скорость этого процесса определяется скоростями выхода неметаллических включений на границу металл — шлак и ассимиляцией включений шлаком. Особенно важное значение в этом случае имеют смачиваемость включений шлаком и вязкость шлака, а при ассимиляции жидких включений — их вязкость. При высокой вязкости шлака и плохой смачиваемости включений шлаком включения, вышедшие на границу металл — шлак, могут быть снова увлечены потоками металла в объем сварочной ванны.

Разрыв металлической плёнки, предшествующий выходу неметаллических включений на границу металл — шлак, происходит легче, если включение твёрдое. Поскольку твёрдые включения поглощаются шлаком лучше, чем жидкие, при сварке под флюсом должны легче удаляться алюминатные (твёрдые) и хуже — силикатные (жидкие) включения.


На процесс удаления включений существенно влияет и перемешивание металла сварочной ванны. При этом увеличение скорости перемешивания металла, уменьшение ширины сварочной ванны и размеров включений повышают скорость их удаления. Переходу неметаллических включений из металла в шлак способствует процесс перемешивания шлака.


Таким образом, хотя форма твёрдых неметаллических включений менее благоприятная, чем у жидких, они менее склонны к росту, легче выходят на границу металл — газ или металл — шлак и быстрее поглощаются шлаком. Однако не следует забывать, что твёрдые неметаллические включения * могут способствовать выделению на них жидких включений и к тому же, о чем будет сказано в следующей главе, облегчать образование пор.

 

Поэтому при введении в сварочную ванну тех или иных компонентов для связывания [О] и [S] нужно учитывать, какие дефекты являются менее опасными для данного изделия.