Введение в состав электродных по­крытий веществ с низким потенциа­лом ионизации, как известно, способ­ствует улучшению устойчивости горе­ния дуги. Этот вопрос подробно рас­смотрен в литературе, посвященной исследованию сварочных дуг как в экспериментальном, так и в теорети­ческом плане. Были разработаны раз­личные количественные оценки влия­ния отдельных компонентов электрод­ных покрытий на устойчивость дуги Наиболее известна оценка К — К. Хре­нова по разрывной длине дуги, примененная для исследований в ряде работ [31, 77. 131].

Изучение влияния ионизаторов на устойчивость дуги приве­ло к мнению о том, что решающее влияние на повышение — устойчивости дуги имеют пары ионизаторов, попавшие в столб дуги. Пары обеспечивают повышение степени ионизации плаз­мы и повышают электропроводность столба. Однако не все имеющиеся экспериментальные факты подтверждают такую точку зрения.

К — К — Хренов [131] исследовал величину разрывной длины дуги для 138 различных веществ. Было установлено, что соеди­нения ряда сильных ионизаторов характеризуются низкой раз­
рывной длиной дуги, несмотря на нх интенсивное испарение в столб дуги. К. К. Хренов объясняет это тем, что образую­щиеся при диссоциации анионы (особенно галоиды) деионизуют столб дуги за счет образования тяжелых отрицательных ионов, имеющих высокое сродство к электрону. При этом отмечается, что такое объяснение требует дополнительной эксперименталь­ной проверки.

С мнением о решающем влиянии ионизации столба дуги на ее устойчивость трудно согласиться, так как оно противоречит приведенным данным о малой энергетической роли столба по сравнению с нрпэлск г родни м п областями. Если бы состояние столба саморегулируемой сварочном дуги определяло вес ее существование, то источник тока должен бы был в столбе за­трачивать основную часть своей энергии. В действительности г> столбе расходуется менее 30% энергии источника тока, а ос­новная доля энергии расходуется в приэлектродных областях

ЛУГИ.

В связи с этим замечанием целесообразно рассмотреть одну и.-, ранних работ Г. М. Тнходесва |118]. посвященных изучению устойчивости горения дуги. Термин «блуждающая дуга» при сварке проволокой без покрытия применен Г. М. Тиходсевьш для следующих внешних условий. Напряжение дуги при прямой полярности тока увеличивается примерно до 25 в вместо 16 18 в на обратной полярности. Дуга горит неустойчиво с силь­ным шумом Капля увеличивается в размерах; наблюдается увеличение разбрызгивания. Катодное пятно блуждает по боко­вой поверхности ближе к основанию кати. При присоединении такой проволоки к положительному полюсу машины явление неустойчивости исчезает н ее сварочные свойства становятся такими же, как у обычных электродов на обратной полярности.

Было установлено, что явление «блуждающей дуги» связано с повышенным содержанием кремния в проволоке (0,21 0,24%) Анализ неметаллических включений в таких проволо­ках показал, что их количество доходит до 0,06%, причем до 75% этого количества приходится па долю Si02. В некоторых образцах было обнаружено повышенное содержание А1203 (до 0,007%). На основании этого Г. М. Тиходеев предположил, что А1203 и Si02 отрицательно влияют на устойчивость дуги.

При внесении Al203, Si02 и FeSi в винтовую нарезку на поверхность зачищенной кипящей проволоки было отмечено увеличение напряжения дуги и ухудшение стабильности. Одно временно уменьшилось число коротких замыканий с 28 в се­кунду до 1—2. При обратной полярности явление блуждания дуги исчезало.

На рис. 92 показано изменение номинального напряжения дуги в зависимости от типа и количества вносимых компонен­тов [118]: / — стабилизаторы дуги; II — не изменяют устойчи­
вость дуги; III—ухудшают устойчивость дуги даже в малых количествах.

Отмечается положительное влияние на устойчивость дуги окислов железа. После удаления слоя окалины и травления по­верхности проволоки дуга становилась неустойчивой. Г М. Ти-

ходеев связывает явление блуждания дуги с эмиссией электро­нов. Вещества, улучшающие эмиссию, уменьшают блуждание. В табл. 43 приведен ток эмиссии с платиновой проволоки, по­крытой окислами различных элементов [118].

Подпись:Из табл. 43 видно, что А1203 и Si02, ухудшавшие устойчи­вость дуги, одновременно уменьшали эмиссию электронов с ка­тода. Таким образом, точка зрения Г. М. Тиходеева о роли ионизаторов и деионизаторов в сварочной дуге с плавящим­ся электродом, высказанная им еще в 1935 г., существенно отличается от представления о том, что ионизатор улуч­шает, а деионизатор ухудшает стабильность дуги, лишь испа­ряясь в столб.

Точка зрения Г. М. Тихо­деева, считавшего, что ста­бильность горящей дуги постоянного тока определяется не ионизацией столба, а эмиссионной способностью катода дуги, как будет показано ниже, правильно отражает физическую при­роду явлений, протекающих в различных зонах дуги.

Действие паров ионизаторов па степень ионизации и, следо­вательно, способность столба горящей дуги проводить ток

температурой столба Тд и потенциалом ионизации ду­гового газа существует теоретическая зависимость

(10.1) .

Подпись:Подпись:Подпись:image120"О. П. Семенова (109] получила аналогичную за­висимость, эксперименталь­но определяя температуру столба угольной дуги при введении на катод различ­ных элементов. Эта зависи­мость (рис. 93) близка к

(10.1) и выражается следу­ющим уравнением:

Тд =600(^+ 1,5). (4.4)

Уравнение Саха при давлении 1 ат, характерном для сва­рочных дуг, имеет следующий вид:

lg — 2,5 lg Тд——— ^ VL — 6,5 + lg а2. (5.4)

В правой части с2 дает поправку, учитывающую статистиче­ские веса электрона, положительного иона и нейтрального ато­ма. Значение этой поправки для элементов с правильным строе­нием электронной оболочки вычислено К — К — Хреновым [132J

Группа элементов периодической системы

I

II

III

1

VI

VII

VIII 1

_ _ 1

Поправка………………..

1

4

1

7*

8/з

3

4

При предположении, что температура столба не изменяется с введением ионизаторов, расчеты по уравнению (5.4) показы­вают резкое увеличение х с уменьшением потенциала ионизации дугового газа. Такой случай для ТД=6000°К показан на рис. 94. Однако, если учесть, что одновременно с изменением потенциа­ла ионизации дугового газа изменяется его температура, урав — Ц0

пение Саха может быть преобразовано следующим образом.

При решении совместно с уравнением (10.1)

lg ■ = 2,5 IgV,- 5.45 + lgQ2. (6.4)

1 — X2

При решении совместно с эмпирическим уравнением (4.4)

lg—г — 2,5 lg (Vi + 1,5) — -8’4V/ + 0,45 + lgfl2. (7.4)

1-х2 Vi 1,5

Подпись:Уравнения (6.4) и (7.4) представлены графически на рис. 95; ”чет изменения температуры столба с введением в дугу паров различных элементов дает другие зависимости по сравнению с рис. 94, где температура предполагалась постоянной. Поэтому в реальных гугах, сравниваемых при близких эежнмах сварки, введение иониза­торов либо не скажется на степени ионизации плазмы (рис. 95,6), ли­по будет уменьшать степень иониза — лии (рис. 95. а), но во всяком слу­чае нельзя ожидать заметного улучшения ионизанин, которое мог­ло бы объяснить наблюдаемое фак­тически повышение стабильности горения дуги с введением иониза­торов.

Как следует из расчетов (рис. 95), степень ионизации плаз — vibi сварочной дуги невысока. Она в наиболее благоприятных случаях (элементы II и VIII групп периодической системы) не превышает 15%. Такая плазма относится к типу «холодных». Приведенные расчеты свидетельствуют о том, что введение в столб сильных деионизаторов (фтор, хлор и др.), относящихся к VII группе периодической системы, также не может являться причиной снижения электропроводности столба.

Результаты расчетов степени ионизации с учетом изменения температуры столба согласуются с приведенными выше дан­ными опытов. В табл. 1 показано, что при внесении в зону дуги деионизатора—-плавикового шпата — наблюдается даже умень­шение градиента напряжения в столбе и, следовательно, улуч­шение его электропроводности по сравнению с введением ионизатора — мрамора. Такое уменьшение градиента объяс­няется тем, что при введении CaF2 короткий столб сварочной дуги интенсивнее нагревается из приэлектродиых областей и степень его термической ионизации увеличивается.

Промышленные электроды УОНИ13 и ВСР50, обладающие пониженной стабильностью дуги, не позволяющей использовать

их при сварке на переменном токе, также имели градиент на пряжения в столбе ниже, чем электроды других типов (см. рис. 5).

Подпись: Рпс. 95. Изменение степени ионизации дугового газа х в зависимости от потенциала его ионизации V-, с учетом изменения температуры столба дуги при расчете температуры столба по К. К- Хренову (о) J131] и по О. IT. Се меновой (б) [109]: </— V/// — группы элементов периодической системы Менделеева)
То, что парам галлоидов нельзя приписывать деионизирую­щее действие на плазму непрерывно горящей дуги, видно также из следующего опыта. При нанесении химически чистых, обез-

воженных хлористых солей ВаСІг, MgCl2 и РЬС12 на проволоку Св-08А было установлено, что РЬС12 хорошо стабилизирует дугу, а ВаС12 и MgC]2, хотя и в разной степени, но ухудшают стабильность.

Подпись:Результаты визуальных наблюдений были подтверждены при определении разрывной длины дуги. Определение разрыв­ной длины дуги с засыпкой солей на основной металл МСт. З (поляр­ность обратная, регулятор тока вы­прямителя GL-400 установлен на 175 а, проволока Св-08А диаметром 4 мм одной плавки) дало результа­ты, приведенные в табл. 44.

Наименьшие потенциалы одно­кратной ионизации элементов, вхо­дящих в указанные соли, состав­ляют: Ва—5,9 е; Mg — 7,61 е; РЬ — 7,4 в и С1 — 13,0 в. Из всех солей наименьшую энергию диссоциации имеет РЬС12. Поэтому плазма дуги при сварке с этой солью должна наиболее интенсивно насыщаться ионами хлора, считающимися ак­тивными деионизаторами.

Таким образом, приведенные примеры убедительно показы­вают, что стабильность горящей дуги не имеет прямой связи сп степенью ионизации плазмы и должна быть связана с усло­виями протекания тока на катоде дуги. Возможно, что в опыте с разными хлористыми солями РЬСЬ улучшает эмиссию элект­ронов на катоде за счет того, что эта соль эмиттирует при на­греве только отрицательные ионы £104] и пленка соли, покры­вающая катод, получает положительный заряд, снижающий по­тенциальный барьер на поверхности катода. Действие MgCP

image123

Рис. 96. Зависимость между потенциалом ионизации и работой вы­хода электронов для разных элементов [37]

будет обратным, так как она при нагреве эмиттирует только положительные ионы [104] и заряжается отрицательно, увели­чивая потенциальный барьер на поверхности катода. ВаСІгпри нагреве выбрасывает ионы обоих знаков и поэтому’ оказывает промежуточное действие на стабильность дуги.

Рассмотрим, каким образом элементы с низким потенциа­лом ионизации могут влиять на электропроводность катода дуги. Потенциал ионизации элемента связан с работой выхода электрона из этого элемента (рис. 96) [37]. Поэтому, вводя на электроды вещества с низким потенциалом ионизации, всег­да уменьшают работу выхода электронов с катода, понижают г. связи с этим катодное падение напряжения и повышают электропроводность катодной области, улучшая этим устойчи­вость дуги. Помимо прямого влияния на электропроводность, введение таких элементов при плавящемся электроде должно снизить колебания капли, так как при низком катодном

ДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОД&#173;НЫХ ПОКРЫТИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Примечания: 1. Номинальное напряжение и разрывная длина Дуги приведены Для прямой полярности.

2. Номинальное напряжение определяли по осциллограммам.

3. Разрывную длину дуги определяли на преобразователе ПС-300 при установке регулятора тока на 190 о.

 

 

падении напряжения уменьшается отталкивающее действие ду­ги на каплю. Снижается также блуждание активных пятен дуги. Например, на рис. 82, V видно, что нанесение тонкого мелового покрытия уменьшило колебание капли на конце электрода и сделало перенос металла более устойчивым.

Уменьшение катодного падения напряжения при введении на катод веществ с малой работой выхода должно приводить к уменьшению общего падения напряжения дуги, так как по­следнее в основном определяется падением напряжений в при — электродных областях.

Поэтому существует зависимость между устойчивостью дуги.

image124

Рис 9Ь. Схема изменения гока и напряжения при удлинении дуги до естест­венного обрыва (пункти­ром показаны вольт-ампер — ные характеристики свароч­ных дуг разной длинЦ):

Подпись:/н ток при возбуждении дуги* I п— ток при обрыве дуги

характеризуемой ее разрывной длиной, и номинальным напри — жением ее горения. Такая зависимость, например, для прово­локи Св-08А без покрытия и с различными однокомпонентными покрытиями приведена в табл. 45 и на рис. 97. Чем выше номинальное напряжение горения дуги, тем меньше ее разрыв­ная длина при одинаковых условиях опыта.

Влияние на разрывную длину дуги величины приэлектрод — ных падений напряжений становится очевидным, если рассмот­реть условия горения удлиняющейся дуги при падающей вольт — амперной характеристике источника питания. После возбужде­ния, когда длина дуги еще мала, между электродом и основ­ным металлом должно возникнуть напряжение UK-a (рис. 98). Соответственно в точке А устанавливается начальный свароч­ный ток /„ . Величина этого тока будет тем меньше, чем боль­ше ик, а- Затем дуга начинает удлиняться. Напряжение ее ра-

Показатель

Св-ОВА с CaCOj

Св-ОВА

Св-08А с CaF2

Градиент напряжения Е в в Ким. .

5

3,6

і

ик+а в е………………………………….

12

16

31,8

U,-) в в……………………………………………

17

21,2

34,2

1’азрывная длина дуги в мм…

15,7

8,4

5,3

Примечания: 1. Разрытая длина при установке регулятора тока ПС-300 на

дуги определялась при прямой полярности 190 а.

2. I радиент напряжения, UK±a и определены при скоростной киносъемке и синхронном осдиллографировакии напряжения дуги.

пет, а тик уменьищется. В точке Б дуга обривается. Причины обрыва іугп можно проанализировать, рассматривая табл. 16. .Улучшение электропроводности столба (снижение градиента К) ін привело к повышению разрывной длины дуги. Наблюдается •аже обратная зависимоегь Поэтому обрыв дуги происходит главным образом из за ухудшения условии электронной эмис­сии в связи с недостаточной бомбардировкой катода положи — іслышим п ионами на малом токе 1Р, соответствующем точке Б Очевидно, чем болыпе затруднена эмиссия электронов с катода (выше катодное падение напряжения), тем при большей вели­чине разрывного тока /, и меньшей длине дуги 1раз/, должен происходить ее обрыв (см. рис. 98).

Монография посвящена малоизученной проблеме регулиро­вания технологических характеристик сварочных электродов, таких как производительность расплавления, проплавляющее действие, перенос металла в дуге и устойчивость ее горения. Регулирование производилось при воздействии различными электродными покрытиями на приэлектродные области и столб электросварочной дуги.

Особенно большое значение в сварочной дуге имеют энерге­тические свойства ее приэлектродных областей, изучение кото­рых и позволило рассмотреть некоторые способы регулирова­ния и методы расчета технологических характеристик элек­тродов

Обобщая материалы, изложенные в монографии, можно сделать следующие основные выводы:

1. Основное количество тепла при сварке (более 70%) вы­деляется в приэлектродных областях дуги. Энергетическая роль столба относительно невелика. Количество тепла, выде­ляющегося в приэлектродных областях, зависит не только от величины тока, но и от эффективных тепловых значений катод­ного и анодного падений напряжений, определяющих энергети­ческую структуру дуги.

Эффективное катодное падение напряжения меньше, а анод­ное— больше соответствующих фактических приэлектродных падений, так как на их величину влияет передача энергии с катода на анод электронами проводимости.

2. Энергетическая структура дуги может быть изменена при нанесении на сварочную проволоку покрытий или при специ­альной обработке ее поверхности. Физическая природа этих изменений связана с образованием на поверхности катода раз­личных электропроводных пленок жидкого шлака, окислов или загрязнений. Пленки, затрудняющие эмиссию электронов, мо­гут увеличить выделение тепла в приэлектродных областях в 2,5—3 раза при неизменном сварочном токе.

3. В случае количественного анализа влияния энергетиче­ской структуры дуги на основные технологические характери­стики электродов дуга может рассматриваться как сумма трех независимых источников тепла: катодного, анодного и распре­деленного по столбу дуги. При этом с достаточной точностью можно принять, что плавление электрода производится теплом, выделяемым только приэлектродной областью у капли, нагрев

основного металла осуществляется теплом, выделяемым обо­ими прпэлектроднымп источниками, а тепло, выделяемое в столбе, рассеивается в атмосферу.

4. Для анализа расплавления электрода была получена тео­ретическая зависимость между мощностью приэлектродного источника и скоростью плавления электрода, которая соответ­ствовала опытным данным. На основе этой зависимости уда­лось установить: долю тепла дуги, расходуемого на плавление различных электродов; количество тепла, расходуемое па ис парение, диссоциацию и плавление различных электродных покрытии; долю тепла, затрачиваемую на перегрев капель выше точки плавления; закономерности изменения температуры капель от типа электрода п режима сварки. Полученное урав­нение плавления электрода позволило также проанализировать коэффициент расплавления как характеристику, широко ис­пользуемую для оценки производительности различных элект­родов, и показать его связь с мощностью приэлектродного источника тепла, действующего на каплю.

5. Для определения теплового действия обоих прпэлектрод — ных источников на основной металл получено уравнение тем­пературного поля, учитывающее дискретный перенос тепла с каплями металла, и уравнение, учитывающее массопередачу с электрода в ванну. Эти уравнения позволили оценить влияние на проплавление и нагрев основного металла не только общей тепловой мощности, вводимой в изделие, и скорости сварки, по и характеристик расплавления электрода.

6. При увеличении тепловой мощности приэлектродных областей возрастают реактивные силы отталкивания, дейст­вующие на каплю и ванну. Возникновение этих сил связано с периодическим выбрасыванием из расплавленного металла га­зов и паров. Чрезмерное возрастание тепловой мощности при­электродных областей, помимо возмущающего действия на пе­ренос капель, значительно усиливает блуждание активных пя­тен н увеличивает потерн на разбрызгивание, что снижает устойчивость дуги. Поэтому повышение производительности сварки за счет регулирования энергетической структуры дуги имеет предел, определяемый устойчивостью ее горения и пере­носа металла. Образование на конце электрода втулочкн из нерасплавленного покрытия снижает отрицательное дей­ствие реактивных сил, так как придает им кумулятивный ха­рактер.

7. Испарение ионизаторов в столб дуги не только снижает потенциал ионизации плазмы, но и одновременно уменьшает температуру столба. Из-за противоположного действия этих факторов степень ионизации и электропроводность столба прак­тически не изменяются. Положительное влияние ионизаторов на стабильность дуги состоит в том, что они облегчают эмиссию электронов с катода, так как всегда обладают малой работой выхода. Введение ионизаторов позволяет существенно изме­нять энергетическую структуру дуги в связи с уменьшением выделения энергии в приэлектродных областях.

* *

*

Изучение приэлектродных областей электросварочных дуг позволило наметить пути создания электродов с высокой произ­водительностью, большой проплавляющей способностью и ря — К)М других специальных свойств. Такими свойствами обладают, например, электроды типа ВСЦ с целлюлозными покрытиями, разработанные во ВНИИСТе и получившие широкое примене­ние при сварке магистральных трубопроводов.

Ряд закономерностей, установленных для дуг с низкой плотностью тока, несомненно, справедлив и для дуг с высокой плотностью тока при автоматической сварке под флюсом и в среде газов. Изучение распределения энергии в таких мощных дугах будет способствовать дальнейшему улучшению техноло­гических характеристик процесса автоматической сварки.

Выявленные закономерности поведения электросварочных дуг убеждают в необходимости дальнейшей разработки теории сварочных катодов и анодов, которая сегодня еще сильно от­стает от теории столба электросварочной дуги.