Как видно из приведенных формул, критический радиус зародышей газовых пузырьков и неметаллических включений снижается, а интенсивность образования зародышей увеличивается при снижении поверхностного (межфазного) натяжения. Это подтверждается и экспериментальными данными. Так, введение поверхностно-активной серы в сталь приводит, согласно [264], к увеличению числа пор в сварном шве. Наши исследования показали (рис. 31), что при применении проволоки Св-08 увеличение окислительного потенциала защитной среды (N2 + + С02) приводит к росту числа пор при сварке стали СтЗсп и практически не влияет на число пор при сварке стали ЭЗА. Между тем в первом случае происходит снижение величины ом_т стали СтЗсп, а во втором случае — для стали ЭЗА — этого не наблюдается.

Металлографический анализ неметаллических включений в сварных швах и проведенные расчеты показали [359], что хорошая сходимость расчетов и экспериментальных данных наблюдается в том случае, если ом_ш = 405 мДж/м2. Такие включения должны содержать около 60 % РеО [77, 79] — компонента, который понижает величину ом_Гш.

Существенное влияние на образование зародышей газовых пузырьков и неметаллических включений оказывают наличие в сварочной ванне границ раздела, смачиваемость поверхности раздела веществом новой фазы, межфазное натяжение на границе раздела. При образовании зародышей неметаллических включений улучшение смачиваемости, а при образовании зародышей газовых пузырьков — повышение межфазного натяжения на границе раздела облегчают выделение вещества новой фазы.

Заметную роль, особенно при образовании газовых зародышей, могут сыграть гидродинамические процессы в сварочной ванне [78]. Из уравнений гидромеханики следует, что при установившемся движении несжимаемой жидкости распределение давлений в потоке зависит от распределения скоростей ее перемещения. При этом давление может стать даже отрицательной величиной, если скорости потоков

Рис. 31. Зависимость числа пор и пористости сварного шва от объемного содержания С02 в смеси И2 + С02 при сварке сталей СтЗсп (а) и ЭЗА (б).

будут достаточно большими. Поскольку металлические расплавы не способны воспринимать растягивающие напряжения, возникновение в отдельных участках объема сварочной ванны отрицательного давления должно привести к нарушению сплошности и образованию полостей, заполняемых газом, выделяющимся из расплава. В этом случае процесс образования зародышей газовых пузырьков носит кавитационный характер. Возможность подобного образования зародышей газовых пузырьков подтверждается данными работы [61, согласно которой образование газовых пузырьков происходит в зоне активного пятна дуги, где имеет место интенсивное перемешивание металла сварочной ванны. К тому же в этой зоне благодаря высокой температуре наблюдаются [42] высокая концентрация газов, а также снижение величины поверхностного натяжения расплава.

Таким образом, на стадии образования устойчивых зародышей газовых и неметаллических включений основную роль играют поверхностные свойства и явления, пересыщение металла выделяющейся фазой, гидродинамические процессы в сварочной ванне.

Рост газовых пузырьков и неметаллических включений в металле сварочной ванны имеет свои особенности. Так, рост неметаллических включений происходит в основном в результате коагуляции и коалес-ценции включений, а рост газовых пузырьков — вследствие коалес-ценции и диффузии газов из расплава в пузырек.

Интенсивность процессов коагуляции и коалесценции неметаллических включений и коалесценции газовых пузырьков зависит от того, как часто будут сталкиваться между собой неметаллические включения или газовые пузырьки.

Вероятность столкновения частиц увеличивается при перемешивании металла, что следует из выражения [78] МРлаЛ№0 = "^у - ,

где ИРЛам. №„ — число столкновений частиц соответственно в ламинарном потоке и в спокойном металлическом расплаве; г)м — вязкость металла; Р^С1 = г1 Л- г1 (г,-, г1 — радиусы I и /-й частиц). Расчеты, проведенные по данному уравнению, свидетельствуют о том, что если в расплаве находятся частицы размером около 10 мкм, а &У1д.г = 1 с-1, то 1Рлам/№0 10*.

Таким образом, рост неметаллических включений вследствие коагуляции и коалесценции, имеющий особенно важное значение ; л 1 оксидных включений, и рост газовых пузырьков в результате коалесценции в первую очередь определяется гидродинамическими процессами в сварочной ванне.

На процесс укрупнения расплавленных неметаллических включений влияют также вязкость включений и величина межфазного натяжения на границе включение — металл, поскольку от них зависит скорость слияния частиц, определяемая из выражения [233] V = = йпОн_в/т)в, где 6П — коэффициент пропорциональности; Т)в — вязкость материала включения.

Влияние вязкости в этом случае преобладающее. Это объясняется тем, что вязкость меняется при изменении состава включений гораздо более заметно, чем межфазное натяжение.