где [N1], [Н] — массовые доли азота и водорода в металле, %; .Уыж и 5*Нк — массовые доли растворимости азота и водорода в жидком железе при температуре плавления; 5(ж = 0,040 %; 5Н = 0,00245 %.

Парциальное давление паров воды, находящихся в равновесии с кислородом и водородом, растворенными в жидкой стали, может быть рассчитано по уравнению

где А"н,0 — константа равновесия; [Н| и [О] — массовые доля водорода и кислорода в металле, %. Значение Кн^ может быть определено из уравнения [24]:

\% Кщо = -10400Г-0,19;(3.13)

при температуре 1810 К А'Нг0 = 1,15'Ю-6. Зная химический состав металла шва и приближенное содержание в нем газов, можно качественно оценить роль отдельных газов в образовании пор.

Д. Фаст ввел понятие скрытого давления газов в металле сварочной ванны, представляющее собой сумму парциальных давлений газов, которые могут выделиться из ванны в результате прохождения всех возможных реакций в условиях равновесия. Расчеты скрытых парциальных давлений газов для случая сварки электродами с различными типами покрытий и порошковыми проволоками приведены ниже.

Исследования кинетики образования пор, вызванных выделением водорода и азота, были выполнены И.К. Походней и В.И. Махненко [20].

В общем случае процесс образования поры можно разделить на две стадии — зарождение и развитие газового пузырька. Для зарождения пузырька необходимы, по крайней мере, три условия: I) пересыщение жидкого металла газом; 2) наличие центра; 3) определенная выдержка элементарного объема жидкого металла (инкубационный период) при соблюдении условий 1 и 2.

Развитие пузырька определяется в основном массопередачей газа из окружающих объемов металла. Этот процесс происходит

во времени, определяемом скоростью диффузии и концентрацией газа в металле (степенью пересыщения).

Пересыщение жидкого металла газамн. Капли электродного металла и ванна при сварке нагреваются до температур, значительно превышающих температуру плавления основного металла [3]. Перегретый металл капель и ванны, взаимодействуя с активированными дутой водородом и азотом, при определенных парциальных давлениях этих газов в атмосфере дуги абсорбирует их в количествах, значительно превышающих растворимость водорода и азота в металле. При охлаждении жидкого металла за счет снижения растворимости может быть достигнуто значительное пересыщение сварочной ванны газами во всем ее объеме.

При контакте жидкого и твердого железа, содержащего водород или азот, происходит перераспределение этих газов между фазами путем диффузии. При этом возможно увеличение концентрации газов в жидком слое вблизи границы раздела, если концентрация в твердой фазе достаточно высока [34].

Расчеты показывают, что в случае движения фронта кристаллов и начальной концентрации водорода (азота) в жидкой фазе С0ж, большей чем растворимость водорода (азота) в твердом железе, при температуре плавления 5Нг (5К ) и постоянном зма

чении коэффициента распределения к, в определенном неиере-мещивающемся слое жидкого металла на границе с твердым вероятны концентрации газов, превышающие их стандартную растворимость. Вследствие этого вблизи фронта растущих кристаллов в неперемешивающемся слое жидкости возможны локальные пересыщения [20].

Зарождение пузырьков газа. Работа Л образования газового пузырька объемом V и поверхностью Г определяется разностью конечной и начальной потенциальных энергий давления газа и жидкости и затратой энергий против действия сил поверхностного натяжения жидкости и адгезии стенки [35]:

где Яг — давление газа внутри пузырька; Рж — давление жидкости; а — межфазное натяжение; 8 — краевой угол; Рл — поверхность действия сил адгезии (см. рис. 3.1).

Согласно формуле (3.14) пузырьки газа возникают на поверхности твердой фазы с наименьшей затратой работы, а следо-

1-^-(1-С05б)