Водород в отличие от других газов обладает способностью растворяться в алюминии и при некоторых условиях образовывать поры в металле швов. Данные об изменении растворимости водорода в алюминии при различной температуре и давлении находящегося с ним в равновесии молекулярного водорода (pH2 = 100 кПа) приведены на рис. 9.1.
 |
Рис. 9.1. Изменение растворимости водорода в алюминии в зависимости от температуры при рн2 = = 100 кПа В реальных условиях сварки парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе дуги ничтожно мало. Поэтому основным источником водорода, растворяющегося в сварочной ванне, служит реакция непосредственного взаимодействия влаги с металлом 2А1 + 3Н2О = А12О3 + 6Н. |
В результате протекания этой реакции концентрация атомарного водорода в поверхностном слое атмосферы, контактирующей с металлом, достигает больших величин и может соответствовать огромным значениям давления молекулярного водорода, находящегося в равновесии с металлом. В связи с этим при непосредственном взаимодействии влаги и паров воды с металлом концентрация растворенного в нем водорода может достигать больших значений.
Растворенный в жидком металле водород в связи с понижением растворимости
стремится выделиться из него при охлаждении.
Пузырьки выделяющегося водорода,
.не успевая всплыть из ванны, остаются в металле шва, образуя поры. Для
возникновения и существования пузырька в жидком металле необходимо, чтобы
давление заключенного в нем водорода было больше внешнего давления, оказываемого
на пузырек, или равно ему. Если пренебречь влиянием металлостатического давления
в связи с малой глубиной сварочной ванны и рассматривать процесс сварки при
нормальном внешнем давлении, равном 100 кПа, то для существования пузырька в
жидком металле сварочной ванны должно выполняться следующее условие:
pH2 ≥100 + 2σ/r, (9.1)
где рH2, — давление молекулярного водорода в пузырьке; σ — поверхностное натяжение на границе газ—металл, r — радиус пузырька.
Между концентрацией растворенного в металле водорода и давлением молекулярного водорода, находящегося с ним в равновесии при температуре t, имеется определенная зависимость
[Н]р = kехр [-ΔH/R (t + 273)] √pH2
где [Н]р — концентрация растворенного в металле водорода; рH2 — давление молекулярного водорода; k — коэффициент растворимости; ∆Н — теплота растворения.
Для одинаковой температуры, но различных давлений водорода справедливо равенство
где [Н ]0 — концентрация растворенного в металле водорода при температуре t °С и р0н2.
После сокращения получаем
[Н]p/[Н]0 = √pH2/√р0 н2< P>
Если принять р0н2 равным атмосферному давлению, т. е. р0н2 — 100 кПа, то получим после преобразования
([Н]р/1[Н]0)2=рн2/100.
Заменив в выражении (9.1) рН2 величиной 100 ([Н]р/[Н]0)2, характеризующей пересыщение раствора в отношении растворимости при температуре t °С и рНа = 100 кПа, получим
([Н]р/[Н]0)2≥1 + 2σ/100r (9.2)
Из выражения (9.2) следует, что возникновение пузырьков выделяющегося газа в
идеально чистом металле (гомогенное зарождение пузырьков) затруднено и возможно
лишь при очень большом пересыщении жидкого металла, поскольку при r→0
([Н]р/[Н]0)→ ∞
При наличии в жидком металле границ
раздела, образованных нерастворимыми взвесями, уравнение (9.2) принимает вид
([Н]р/[Н]0)2≥1+2σƒ (θ)/100r, (9.3)
где θ — краевой угол смачивания жидким металлом поверхности твердых частиц;
ƒ(θ) = [(2+2 cos θ + sin2 θ cos θ)/4]⅓ (9.4)
Из выражения (9.4) следует, что при θ→ 180° ƒθ→0. Иначе говоря, при наличии в жидком металле взвесей, не смачиваемых расплавом, зарождение пузырьков становится возможным при небольшой величине пересыщения, т.е. при [Н]р/[Н]р)2≥1.
В промышленных алюминиевых сплавах всегда присутствуют частицы оксидов, образующих нерастворимые несмачиваемые взвеси. Поэтому возникновение пузырьков выделяющегося водорода в условиях сварки алюминия при нормальном внешнем давлении (рвн = 100 кПа) становится возможным при [Н]р→[Н]р.
В процессе кристаллизации металла вероятно перераспределение водорода между закристаллизовавшимся металлом и жидким. Такое перераспределение должно способствовать постепенному увеличению концентрации водорода [Н]р в незакристалли-зовавшейся части ванны и возникновению пузырьков в момент, когда [Н]р станет больше [Н]0. Поэтму исходная концентрация водорода, растворенного в металле, при которой возникают пузырьки, может существенно изменяться в зависимости от условий кристаллизации и массы кристаллизующегося металла.
Накопленный в настоящее время опыт показывает, что в условиях сварки алюминия в связи с большими скоростями перемещения фронта дендритов перераспределением водорода между твердым и жидким металлом в процессе кристаллизации можно пренебречь и считать, что концентрация водорода в ванне в процессе ее кристаллизации не изменяется. Величина [Н]0 уменьшается при охлаждении и достигает в жидком металле при температуре 660 °С своего минимального значения (0,69 см3/100 г металла).
В связи со сказанным при внешнем давлении рви = 100 кПа возникновение пузырьков водорода в жидком алюминии можно ожидать при концентрации растворенного в ванне водорода более 0,69 см3/100 г металла, что подтверждено экспериментально. Зарождение пузырьков при сварке алюминия происходит в период охлаждения металла в наиболее холодных участках ванны, в которых величина [Н]р оказывается больше [Н]0. В связи с большой скоростью роста дендритов всплывание пузырьков из ванны затруднено, и влияние условий кристаллизации, ограниченно меняющихся при изменении режимов сварки, на степень пористости швов при сварке алюминия сказывается относительно мало.
