3.2. Роль поверхностных явлений в зарождении газового пузырька

Значение поверхностных явлений в сварочных процессах отмечено многими исследователями [12, 15, 16, 24]. Большое влияние оказывают они и на процесс образования пор. Так, на стадии образования устойчивых зародышей газовых пузырьков основными факторами, влияющими на этот процесс, будут пересыщение расплава (как отмечалось выше), поверхностное натяжение на границе раздела фаз, наличие межфазных границ и смачиваемость этих границ расплавленным металлом.

Если полагать, что поверхностное натяжение расплавленного металла на границе раздела металл—газ не зависит от кривизны поверхности стенок пузырька, то при радиусе пузырька г-0

значение — - оо. Отсюда следует (см. уравнение (3.6)), что для г

возникновения шарообразного пузырька бесконечно малого размера необходимо бесконечно большое давление выделяющегося газа. Однако В.В. Подгаецкий отмечает [16), ссылаясь на работы Дж. Гиббса и Л.И. Русанова, что в области малых радиусов кривизны поверхностное натяжение всегда понижается с их уменьшением и становится равным нулю, когда радиус кривизны поверхности натяжения обращается в нуль. Исходя из этого, приходим к выводу, что давление поверхностной пленки металла не может быть непреодолимым препятствием образованию и росту газовых зародышей в объеме жидкого металла.

Еще проще газовые зародыши могут возникать на границах раздела фаз, где работа образования зародыша меньше, чем в объеме металла. Такими границами в сварочной ванне являются поверхности, отделяющие жидкий металл от твердого металла, шлака и взвешенных неметаллических включений.

При образовании пузырька на поверхности твердого металла его форма определяется соотношением значений межфазного натяжения на границах твердого металла с жидким (атв_ж) и твердого металла с газом (атв_г), а также жидкого металла с газом

В зависимости от поверхностных свойств контактирующих фаз возможны два случая (рис. 3.3). В первом из них жидкость смачивает твердое тело лучше, чем газ (а1П_т атв_ж), во втором — газ смачивает твердое тело лучше, чем жидкость (отв_, отв_ж). В первом случае угол смачивания будет острый, т. е. 0 90°, во вто-

3.2. Роль поверхиостных явлений в зарождении газового пузырька

Жидкая фаза — — -

Гаювая фаза

Твердая фаза

Рис. 3.3. Форма пузырькок, образовавшихся на поиерхности твердого металла: /— жидкий металл смачивает твердую поверхность лучше газа; II — газ смачивает твердую поверхность лучше жидкого металла

Рис. 3.4. Схема роста пузырька, зародившегося на поверхности твердого металла

ром — тупой, 9 90°. O.A. Есин и П.В. Гельд |12], ссылаясь на работы Е.И. Несиса и Я.И. Френкеля, приводят уравнение, описывающее изменение формы пузырька при его росте вплоть до отрыва:

Si"2f = 4?(А2-'2)+^-АЬ(3-25)

где у — ордината контура пузырька; h = утях — высота пузырька в центре; X — неопределенный множитель Лагранжа; а2= сгж_г /(pg) — параметр, имеющий размерность квадрата длины; р — плотность; g — ускорение свободного падения.

Уравнение (3.25) иллюстрирует изменение формы пузырька при его росте вплоть до отрыва. С его помощью можно показать, что рост пузырька под влиянием архимедовых сил вызывает постепенное увеличение угла смачивания 9 и появление пережима (рис. 3.4), приводящее к отрыву, когда подъемная сила становится равной силам сцепления вдоль перешейка. После от-