ведливо указывал К. В. Любавский, вопрос образования пор до настоящего времени не до конца понятен (131. Многие экспериментальное факты не нашли удовлетворительного объяснения. Например, увлажнение покрытий электродов карбон атн о-флюо-ритного типа вызывает пористость швов несмотря на сравнительно низкое содержание водорода и паров воды в газовой фазе 144]. При этом повышение влажности покрытий электродов ру-тилового и руднокислого типов приводит к снижению пористости 139. 40] при высоком парциальном давлении водорода и паров воды в атмосфере дуги (14, 44]. Кроме того, не ясны причины различного влияния удлинения дуги на пористость швов при сварке электродами с карбонатно-флюоритным и рутиловым либо руднокислым покрытием, причины пористости швов, образующейся при сварке на повышенных токах электродами с рутиловым и руднокислым покрытием.

Для выяснения всех этих вопросов были предприняты исследования, результаты которых рассматриваются ниже.

3.1. Термодинамика и кинетика образования пор в сварных швах

Образование газовых пузырьков в жидком металле начинается с появления газовых зародышей, представляющих собой мельчайшие объемы газа, отделенные от металла межфазной границей. Они могут исчезать вследствие растворения газа в металле. Чтобы газовый зародыш стал устойчивым, он должен достигнуть критического размера. Увеличение пузырька газа возможно, если давление газа внутри него Ръыл выше внешнего давления Рвн, состоящего из атмосферного Р, гидростатического давления слоя металла и шлака, а также силы поверхностного натяжения Рпм. При рассмотрении процессов возникновения пузырьков газа в сварочной ванне обычно пренебрегают давлением слоя металла и шлака. Тогда условие возникновения пузырька записывается в виде неравенства

или

Р1НЛЯ+2£|(3.6)

где Рвнд — сумма парциальных давлений выделяющихся газов; Р— атмосферное давление; о — поверхностное натяжение ме-

3.1. Термодинамика и кинетика образования пор в сварных швах

талла на границе с газом; гкр — радиус пузырька критического размера.

Внутреннее давление газа в пузырьке состоит из парциальных давлений присутствующих в нем газов. Для случая сварки стали таковыми являются азот, водород, оксид углерода, пары воды и др. Если суммарное внутреннее давление газа в пузырьке превысит барометрическое, то он будет расти, всплывать и может стать причиной образования пор. Роль отдельных газов в образовании пор в первом приближении можно оценить па основании термодинамического анализа реакций (3.1)—(3.5).

Константа равновесия суммарной реакции окисления углерода (3.1) описывается уравнением

Ксо=-^-,0.7)

где ас и аа — активности углерода и кислорода в ЖеАеэе; Рсо — парциальное давление оксида углерода.;:

Из выражения (3.7) следует, что

[СИО]= Рс° ,(3.8)

где [С], (О] — массовые доли, %, углерода и кислорода в железе; 7с и То — коэффициенты активности углерода и кислорода.

Влияние температуры на константу равновесия описывается уравнением [31]:

^0=^ + 2,00.(3.9)

При температуре 1810 К Ксо = 437.

С увеличением содержания углерода в железе /с возрастает, а /0 снижается. Произведение /о/с до массовой доли углерода 1 % практически постоянно. Кремний и марганец с массовыми долями до 1 % мало изменяют коэффициент активности кислорода [31].

Парциальное давление оксида углерода в газах, выделяющихся из ванны, может быть определено по уравнению (3.8) в предположении, что достигается равновесие. Парциальные давления азота и водорода могут быть вычислены по таким уравнениям:

1М]

атм,(3.10)