Вязкость расплавленного включения окажет существенное влияние и в случае объединения расплавленного и твердого неметаллических включений, хотя в этом случае существенную роль играет и смачиваемость твердого включения расплавленным [233].

При коагуляции твердых неметаллических включений влияние поверхностного натяжения и смачиваемости включений расплавленным металлом более заметно. Это следует из выражения [10], согласно которому сила сцепления твердых сферических включений Р — = 2пам—ггвтг, где гв — радиус включения; тг — безразмерная координата, зависящая от поверхностных свойств металла и смачиваемости включений металлическим расплавом.

Из аналитического рассмотрения и результатов проведенных исследований следует [78], что при диффузионном росте газового пузырька основное влияние на увеличение его размеров оказывают содержание газов в металле, величина внешнего давления, скорость массопереда-чи газа из металла в пузырек, которая зависит от наличия в металле поверхностно-активных элементов.

Преобладающая роль концентрации газа объясняется тем, что тюток газа из расплава в пузырек, от величины которого зависит рост лузырька, определяется градиентом концентрации газа на границе пузырек — расплав и в объеме расплава. При этом поток газа в пузырек тем больше, чем выше содержание газа в металле.

Как известно, газовый пузырек растет, если выполняется соотношение Рн ^ РВц — ом_г/г, где Р„, Рвн — соответственно наружное и внутреннее давление на стенку пузырька; г — радиус пузырька.

В условиях сварки наружное давление, препятствующее росту •газового пузырька, состоит из атмосферного давления, давления дуги и давления, обусловленного вязкостью расплава, поэтому повышение атмосферного давления препятствует росту газовых пузырьков. Этот прием используется на практике для снижения пористости сварного шва.

В меньшей мере на рост пузырьков влияет введение в металл поверхностно-активных элементов. Адсорбируясь на поверхности пузырек — расплав, эти элементы снижают величину активной поверхности контакта и уменьшают поток газа из расплава в пузырек.

Удаление неметаллических включений из сварочной ванны становится заметным, если последняя покрыта шлаком. В этом случае процесс удаления состоит из следующих этапов: подход включения к границе металл — шлак; переход включения через данную границу; отвод частицы в объем шлака.

Подход включений к границе металл — шлак в условиях сварки происходит не в спокойном, а в заметно перемешиваемом металле. Наличие потоков в сварочной ванне существенно влияет на доставку включений к границе металл — шлак, что следует из выражения [300] Кк/Кс = Упгъ1УВш, где Кк, Кс — константы скоростей соответственно конвективного и седиментационного подъема включений; Уп — скорость потока металла на границе со шлаком; гв — радиус перемещающегося включения; V — скорость подъема неметаллического включения, определенная по формуле Стокса; Вш — ширина ■сварочной ванны.

Как видно, эффект влияния перемешивания металла усиливается с ростом скоростей потоков, причем на скорость подхода частиц к межфазной границе не окажет особого влияния разность плотностей частиц и металла, так как скорости потоков металла сварочной ванны во много раз выше скоростей подъема частиц, определяемых по формулам Стокса и Рыбчинского — Адамара. Не повлияет на подъем частиц и разница в величинах адгезии их к металлу, поскольку включения в перемешиваемом металле перемещаются без проскальзывания [201].

Таким образом, на первом этапе удаления неметаллических включений из сварочной ванны основным фактором, определяющим доставку включений к границе металл — шлак, является интенсивность перемешивания металла.

Анализ всех этапов показал, что в условиях сварки удаление неметаллических включений определяется скоростью самого медленного — второго этапа. При этом эффективность удаления неметаллических включений определяется скоростью поглощения частиц шлаком, которая должна быть не меньше скорости потоков в металле. В противном случае включения будут снова затянуты в объем сварочной ванны.

Скорость поглощения включений шлаком зависит от размеров включений, их агрегатного состояния (твердые или жидкие), смачиваемости включений шлаком, вязкости и плотности шлака, химического взаимодействия между шлаком и включением, направления и величины скорости, с какой частица подходит к границе металл —■ шлак. Если в момент приближения частицы к поверхности раздела вектор скорости направлен по касательной к границе, то центростремительные силы увлекут частицу вновь в объем металла. Если же вектор скорости пересекает поверхность раздела, то скорость перехода включений будет выше, чем скорость перехода такой же частицы из неперемешиваемого расплавленного металла.

Поскольку переход неметаллических включений из металла сварочной ванны в шлак приводит к уменьшению величины поверхностной энергии системы, это предопределяет стопроцентную термодинамическую вероятность перехода. Наличие же неметаллических включений в металле шва является следствием гидродинамических процессов, происходящих на границе металл — шлак. Это может быть результатом кратковременности контакта включения и шлака, малой удельной поверхностью контакта, значительной скорости движения металла вдоль поверхности контакта и т. д.

Важная роль гидродинамических процессов в переходе неметаллических включений через границу металл — шлак подтверждается также следующими фактами.

Исследование влияния поверхностных и гравитационных сил на переход частиц через границу металл — шлак показало, что поверхностные силы преобладают при удалении мелких включений (гБ ^ ^ Ю-4 м). Однако из практики известно, что лучше удаляются крупные включения. Это свидетельствует о том, что в условиях сварки переход неметаллических включений через границу металл — шлак прежде всего зависит от гидродинамических процессов.