Анализ уравнения (1У.34) позволяет сделать следующие выводы: с наложением ультразвуковых колебаний интенсивность образования газовых зародышей возрастает, и чем меньше Сп, тем более эффективно воздействие ультразвука. Однако нужно учесть, что наложение ультразвуковых колебаний способствует удалению газовых пузырей.

4. Рост газового пузырька в сварочной ванне

Наличие в сварных швах крупных макропор можно объяснить тремя причинами: 1) коалесценцией микропузырьков; 2) развитием газовых полостей, находящихся в основном металле, а при многослойной сварке — в предыдущем слое, за счет давления присутствующих в них газов; 3) ростом газовых зародышей за счет диффузии в них газов из металла.

Рассмотрим особенности каждого из этого процессов и прежде всего коалесценцию пузырьков. Как известно, давление внутри пузырька больше, чем давление в жидкости около него на величину АР = 2о/г. Поэтому если в расплаве будут находиться два пузырька с радиусами гх и г2, то для первого из них превышение давления составит А/5! = 2а/г1У а для второго — АР2 — 2с/г2. При слиянии этих пузырьков давление внутри вновь образовавшегося пузырька за счет сил поверхностного натяжения будет АР^ = 2о/г12, где г1а — радиус образовавшегося пузырька.

Изменение свободной энергии системы сЮ в результате коалесценции пузырьков при постоянных Р и Т составит

=-^-по (г~2 — г\ — /|).

Если У12 = V]. + У2. то г12 гг + г2, и тогда выражение в скобках будет отрицательной величиной. Следовательно, слияние двух пузырьков в один приводит систему в более равновесное состояние и может происходить самопроизвольно.

Однако процесс коалесценции во многом обусловливается энергией взаимодействия пузырьков газа и прочностью пленки расплава между сближающимися пузырьками. Прочность пленки определяется кинетическим, термодинамическим и структурно-механическим факторами, действующими так же, как и в случае коалесценции неметаллических включений.

Расклинивающее давление, возникающее между пузырьками при их сближении, в отличие от расклинивающего давления при сближении неметаллических включений, будет

Р„ — ам_г (— + —)• Причем, поскольку наличие кислорода

в металле приводит к появлению двойного электрического слоя на границе металл — газовый пузырек, то очевидно, что введение кислорода в металл затруднит прохождение процесса коалесценции. По-видимому, повышение термодинамической устойчивости пленок расплава является одним из факторов, объясняющим наличие в металле шва при сварке в окислительных средах большого количества мелких пор.

При столкновении двух пузырьков дополнительное давление в большом пузырьке будет меньше, чем в маленьком, поскольку Г| г2. Поэтому пленка расплава между столкнувшимися пузырьками будет изгибаться внутрь большого пузырька до тех пор, пока она сможет выдерживать это давление. Следовательно, вероятность процесса коалесценции пузырьков зависит от разности давлений:

АР = ДР2 — АР1 = 2ам_г — -~\ = 2ам_г

Таким образом, с увеличением отношения размеров столкнувшихся пузырьков давление, действующее на пленку, будет расти, а значит, увеличится и вероятность коалесценции. Для пузырьков одинакового размера вероятность коалесценции очень мала. Возможность коалесценции пузырьков в сварочной ванне подтверждается данными [227].

Следует отметить, что на коалесценцию газовых пузырьков будут влиять ультразвуковые колебания, вводимые в сварочную ванну, а также, по-видимому, электромагнитное перемешивание металла сварочной ванны, так как при этом уменьшается стабильность пленок.

Рассмотрим следующие возможные механизмы роста газовых пузырей в сварочной ванне. При сварке возможен случай, когда в переплавляемом металле уже есть газовая полость, образовавшаяся ранее. Если эта полость попадет в зону горения дуги, то за счет повышения температуры давление газа в ней возрастает, и, находясь в расплавленном металле, размеры полости будут увеличиваться. Необходимым условием роста газового пузырька является выполнение соотношения

--у^-,(1У.35)

где Ри и Рш — соответственно наружное и внутреннее давление на стенку пузырька.

В условиях сварки наружное давление, препятствующее росту газового пузырька, состоит из атмосферного давления