Температура капель на конце электрода определяет ход металлургических реакций на стадии образования капель и поэтому исследовалась в ряде работ. Однако от температуры капель при сварке зависит не только ход металлургических реакций, но и многие технологические свойства и в первую очередь характер переноса металла.

Определение температуры капель опытным путем сложно и связано с рядом погрешностей эксперимента. Такие определе­ния проводились калориметрическим способом только для проволок без покрытия или с тонким покрытием [28, 47, 179].

Погрешности калориметрических опытов обычно связаны с трудностями учета потерь на испарение летящих капечь. Для улавливания капель в калориметр необходимо искусственно удлинять дугу, что нарушает условия образования капель. Кроме того, например, в работе [179] пластина из ннзкоуглеро — днетой стали располагалась над калориметром в вертикальном положении, что не исключало отекание в калориметр жидкого металла из ванны и могло искажать результаты опытов.

Имеющиеся результаты калориметрических измерений не позволяют с достаточной полнотой судить о влиянии на темпе­ратуру капель номинального напряжения дуги, тока и его по­лярности. Кроме того, калориметрирование из-за большого количества шлака не позволяет определять температуру капель при сварке современными толстопокрытыми электродами. По­этому для определения средней температуры капель представ­ляет интерес применить расчетную схему плавления электро­да, рассмотренную в начале этой главы.

image56
image55

Расчет средней температуры капель может быть произведен по уравнению (13.3), связывающему температуру капли со ско­ростью плавления стержня v и его теплосодержанием от на­грева током:

Это уравнение пригодно для проволок и электродов с по­крытием. Для простоты сначала рассмотрим температуры ка­пель в начальный момент плавления электрода, когда Sm=0. Для низкоуглеродистой стали у = 7,8 г/см3, а=8 дж/см-сек ■ ° 1, Sru = 1340 дж/г, Ткип =3020° К; ТпЛ =1720° К; 7’0=2300° К.

По значениям скоростей плавления электродов и проволок в табл. 12—14 могут быть рассчитаны средние температуры ка~

цель. Температура капель электродов с однокомпонентними по­крытиями с увеличением номинального напряжения увеличива­ется с 2540 до 2770°К (рпс. 42). Разброс результатов связан с. разным коэффициентом веса покрытия и различными затра­тами тепла на его диссоциацию, испарение и плавление.

Подпись: 15Подпись: 20Подпись: 25Подпись: ЗОПодпись: 35 Ud6По данным А. А. Ерохина, при использовании электродов диаметром 4 мм с тонкими покрытиями из мрамора, плавико­вого шпата, двуокиси тита­на п кварцевого песка, рас — °к плавляемыми при токе зюо 150 а прямой полярности, в процессе калориметриче­ских опытов температуры 2300 капель составляли 2473 —

2673‘ К, что по порядку 2700 величин удовлетворитель­но совпадает с расчетными значениями на рис. 42. 2500

На рис. 43 приведена температура капель при сварке проволоками. Темпе­ратура повышается с уве­личением тока и выше у проволок, горящих с более высоким номинальным на­пряжением. Влияние напряжения хорошо видно при прямой по­лярности.

Хотя тенденции изменения температуры по расчету и по приведенным на рис. 43 экспериментальным данным А. А. Еро­хина совпадают, расчетная температура оказалась выше при­мерно на 12—15%. Это может быть связано с разным составом и состоянием поверхности проволок, примененных А. А. Еро­хиным и автором. Имеет значение также п длительность расплавления электрода, так как подогрев стержня током снижает температуру капель. В наших опытах время плавления не превышало 15 сек. Наконец, потери тепла кап­лями металла при их полете в калориметр, возможно, превы­шали принятые при калорнметрировании (в работе [29] пред­полагалось, что поверхность капель теряет всего 5% тепла, уловленного калориметром). В работе [179] показано, что стальная дробь весом 0,3 г, нагретая всего до 1273° К, при свободном охлаждении в воздухе за 1 сек теряет около 5% тепла. Капля на конце электрода нагрета до значительно бо­лее высокой температуры и в полете интенсивно испаряется (скоростная киносъемка показывает, что вокруг капли всегда имеется ореол светящихся паров). Поэтому вполне вероятно, что потери тепла существенно превосходят 5%- Если принять
большие значения потерь, то калориметрирование даст большие значения температур капель.

Нагрев капель дугой image58,image59

С учетом сделанных замечаний можно считать результаты расчетного определения температуры на рис. 43 удовлетвори­тельными.

Рис. 44. Зависимость средней температуры капель от тока для промышлен-
ных электродов из низкоуглеродистой стали диаметром 4 мм (Sm= 0):
а — прямая полярность; б — обратная полярность

Для промышленных марок электродов расчетная темпера­тура во всех случаях увеличивается с ростом тока (рис. 44). Наиболее «холодные» капли наблюдаются у электродов MP3

и У0НМ13, характеризуемых низкими номинальными напря­жениями и небольшой мощностью в приэлектродных областях. Эти электроды имеют близкие значения температур капель па обеих полярностях. Электроды с высоким номинальным напря­жением дуги (ВСЦ1, ЦМ7, Флитвелд 5, Шилдарк 85) имели более «горячие» капли, причем температура капель выше на прямой полярности. Температура капель у промышленных электродов при токах 100- -190 а изменялась примерно от 2460 до 2870 °к.

Подпись:При всех рассмотренных режимах сварки проволоки и элек­троды с однокомпонентними и промышленными покрытиями имели средние температуры ка­пель ниже температуры кипения стали.

Калориметрическими опыта­ми А. А. Ерохина [29] и С. Одза — ва [179] при плавлении прово­лок без покрытия установлено юннжение средней температуры капель на конце электрода при его предварительном подогреве.

Этот факт может быть объяснен при анализе уравнения (13.3).

Очевидно, что температура ка­пель будет снижаться лишь в случае, если в этом уравнении по мере увеличения теплосодер­жания стержня Sm произведение

v(Snj—Sm) уменьшается. Такое уменьшение действительно про­исходит.

Известно, например, из работы [26], что при максимально допустимых токах последняя треть электрода плавится со ско­ростью -— 1,3 раза выше, чем начало электрода. При этом электродный стержень разогревается примерно до 100(7’К. В на­чальный момент плавления электрода произведение и (S, IA — —Sm) =j 1340а(Sm=0). При нагреве до 1000° К 1,3н(5„|—Sm) = = 1070 у, т. е. составляет 0,8 начального, и температура капель должна снизиться. С точки зрения качества сварных соединений, изменение температуры капель в процессе сварки является нежелательным, так как при этом может измениться ход метал­лургических реакций. Поэтому этот вопрос заслуживает даль­нейшего более детального изучения.

Повышение теплосодержания стержня от нагрева током сильно сдвигает в сторону более высоких значений максималь­ную скорость расплавления, при которой достигается закипание капли во всем объеме. Зависимость, представленная на рис. 45, рассчитана по формуле (13.3) для проволоки из низкоуглероди­стой стали с а=8 дж/см2-сек-°К.