Взаимодействие алюминия с водородом

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 (p H2 = 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 + 3Н 2 О = А1 2 О 3 + 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:

где р H2 , — 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)] √p H2

где [Н] р — концентрация растворенного в металле водорода; р H2 — 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 р 0 н2 .

После сокращения получаем

[Н] p /[Н] 0 = √p H2 /√р 0 н2

Если принять р 0 н2 равным атмосферному давлению, т. е. р 0 н2 — 100 кПа, то получим после преобразования

([Н] р /1[Н] 0 ) 2 =р н2 /100.

Заменив в выражении (9.1) р Н2 величиной 100 ([Н] р /[Н] 0 ) 2 , характеризующей пересыщение раствора в отношении растворимости при температуре t °С и рНа = 100 кПа, получим

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

где θ — краевой угол смачивания жидким металлом поверхности твердых частиц;

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 (р вн = 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.