Перенос металла при дуговой сварке изучался многими ис­следователями, но до сих пор не существует единого мнения по основному вопросу: о силах, вызывающих этот перенос с электрода в ванну. Не исследованы в достаточной мере и фор­мы переноса при различных видах дуговой сварки.

Имеющиеся данные показывают, что силы, действующие на каплю, и формы переноса металла могут быть весьма разнооб­разными и зависят от плотности тока, диаметра электрода, типа покрытия, атмосферы дуги, полярности при сварке и т. и. Одностороннее изучение тех или иных сил, влияющих на пере­нос металла, без учета их возможного изменения при различ­ных условиях сварки не всегда может привести к правильным заключениям.

Исследования энергетической структуры дуги позволяют оценить силы, действующие на перенос металла при различных условиях сварки, и во многих случаях объяснить причины раз­ного характера переноса металла и поведения капель на конце электрода. От характера переноса металла зависит устойчивость горения дуги и разбрызгивание при сварке. Поэтому изучение переноса металла при сварке плавящимся электродом целесо­образно связать с исследованием ряда вопросов стабильности горения сварочной дуги,

§ 1. СИЛЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПЕРЕНОС МЕТАЛЛА С ЭЛЕКТРОДА

Обычно считают, что на перенос металла влияют следую­щие силы:

а) сила тяжести, направленная к изделию при сварке в ниж­нем положении и препятствующая переносу в потолочном поло­жении;

б) сжимающее действие собственного магнитного поля тока на расплавленный металл электрода (пинч-эффект). В соответ­ствии с существующими представлениями при наличии шейки между каплей и стержнем действие силы шшч-эффекта всегда направлено к изделию;

в) силы поверхностного (межфазного) натяжения. Эти силы при существовании капли на электроде препятствуют ее пере­носу в любом пространственном положении (до момента корот­кого замыкания);

г) давление газов, расширяющихся внутри капель. Расши­рение газов приближает поверхность капли к ванне н, таким образом, способствует переносу металла с электрода на изде­лие во всех пространственных положениях.

Кроме перечисленных сил, рассматривалось действие элек­трических полей на перенос металла. Однако впоследствии, в связи с тем, что перенос всегда происходит с электрода на из­делие при любой полярности постоянного тока и на перемен­ном токе, действие этих сил было признано несуществен­ным [167].

При рассмотрении переноса металла до сих пор мало вни­мания уделяли действию сил, возникающих периодически и не имеющих строгой направленности. Скоростная киносъемка по­казывает, что эти силы оказывают существенное воздействие на перенос металла. К ним относится реактивное действие газов, периодически выбрасываемых жидким металлом, а также дав­ление активных пятен дуги, блуждающих по капле и ванне. Суммарное действие этих сил обычно рассматривается как дав­ление душ па электроды [23, 145, 148]. Помимо указанных сил, при дуговой сварке имеет значение и принудительное переме­щение капли в ванну. 1 Стример, при механизированных спосо­бах сварки электродная проволока с каплей па конце может подаваться в панну со скоростями, достигающими 20 см/сек.

Очевидно, что силы тяжести и пинч-эффекта не должны за­висеть от нагрева в дуге. В то же время силы поверхностного натяжения и особенно силы, связанные с расширением газов внутри капель, а также периодически действующие силы зави­сят от нагрева в прпэлектродных областях, т. е. от энергетиче­ской структуры дуги и величины тока.

Рассмотрим имеющиеся в литературе данные о действии различных сил на перенос металла при невысокой плотности тока в электроде.

При низкой плотности тока до 20 а/ммI силы пинч-эффекта могут быть недостаточными для отрыва капель и перебрасыва­ния их в ванну. Это, например, показал Д. Зак [187], проводив­ший кинорентгеносъемку дуги со скоростью Г)0 кадров в 1 сек. Оказалось, что при сварке в потолочном положении электрода­ми диаметром 4 мм на постоянном токе 140 а расчетная энер­гия отбрасывания капли силами пинч-эффекта составляла всего 3-Ю’8 дж, в то время как общая энергия летящей капли, вы­численная по ее скорости и весу, была 23-10~7 дж. Расчеты А. А. Алова также показывают, что при токе 160 —200 и па электродах диаметром 5 мм, даже при образовании весьма тон­кой шейки между каплей и стержнем, возникают аксиальные силы пинч-эффекта не более 4-Ю-3—6-10 3 н. Аналогичного мнения о незначительной роли пинч-эффекта при малой плот­ности тока придерживается В. И. Дятлов [23].

В ряде работ, посвященных управлению переносом металла при механизированных способах сварки в защитных газах, ука-

ПЕРЕНОС МЕТАЛЛА И ВОПРОСЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ

зываегся, что силы пинч-эффекта оказывают основное влияние на перенос металла лишь при наложении мощных импульсов тока [78, 96]. При обычных условиях сварки линч-эффект замет­но не проявляется и основное значение имеют сила тяжести [96] и сила поверхностного натяжения [78].

Л. Ларсон, анализируя различные силы, действующие на каплю в дуге, приходит к выводу, что наибольшее значение при низкой плотности тока имеет расширение газов в капле [167]. Капли могут разрываться ог давления газа пли, расширяясь, замыкать дугу накоротко. Е. Ныоэл, рассматривая капли в дуге с помощью проекционного фонаря, также пришел к выво­ду, что они набухают в связи с расширением газа [178]. При короткой дуге капли, достигая размера, равного длине дуги, замыкают ее и переносятся в ванну силами поверхностного на­тяжения. Разрезка капель, оставшихся на конце электрода, обнаружила внутри них газовые пустоты. Образование газа внутри капель металла на копне электрода при ручной сварке наблюдал В. А. Лапидус [49]. Д. Зак при рентгеносъемке дуги также обнаружил поры в каплях у покрытых электродов[6] [187]. Точка зрения о существенном влиянии газов в капле на перенос металла при ручной сварке находит подтверждение и в работах И. Р. Пацкевича [84, 85]. При автоматической сварке в среде защитных газов расширение капель под действием па­ров и газов наблюдал А. Г. Потапьевский [95].

Исследования Д. Доана и Р. Лоренца [145], определявших в различных газовых атмосферах давление дуги на капли на конце электрода (т. е. силу отталкивания, действующую на капли), показали, что оно возрастает с увеличением тока и мо­жет достигать 2-10 [7]—2,5-10 2 н для покрытых электродов диа­метром 4 мм при 160—200 а. Аналогичные давления на элек­трод были найдены в настоящей работе (см. рис. 53 и 54). В работе [48] установлено, что давление дуги зависит от влаж­ности покрытия электродов. Например, при 250 а давление дуги составляло 4-10[8]н для прокаленных электродов, 8Х X Ю 3 н для электродов средней влажности и 1,2 ■ 10 2 н для ув­лажненных электродов.

Некоторые исследования сил, действующих на каплю при режимах, характерных для ручной дуговой сварки, производи­лись и автором. Исследования выполнялись па различных про волоках и тонкопокрытых электродах.

ассмотрение кадров скоростной киносъемки показало сле­дующее. Влияние силы тяжести на перенос металла становится заметным лишь при удлинении дуги, исключающем короткие замыкания при сварке. Этот режим сварки нельзя считать оп­тимальным, так как такой дугой невозможно производить свар­ку в потолочном и вертикальном положениях: образующиеся капли летят вниз и не попадают в ванну. При сварке на опти­мальном режиме, с короткими замыканиями, роль веса капли

image89

image91Рис. Т>5. График івиженіїя крупной кап-
ли (проволока Св-08А диаметром 4 мм.
обратная полярность, ток 200 а, ния-.-
псе положение):

1 — начало образования шейки: 2 — сопрнк’к
повгмие капли с ванной

по сравнению е другими силами в дуге незначительна. Напри­мер, при сварке на токе 160 а обратной полярности прово­локой Св-08А диаметром 4 мм в нижнем положении конец капли прошел путь к ванне 1,5 мм за 0,49 сек. Таким образом, средняя скорость движения капли составляла всего 0,0032 м/сек. Если бы капля падала свободно только под действием силы тяжести, она за 0,49 сек успела бы пролететь более 1 м. При этом средняя скорость движения капли составила бы 2,4 м/сек. Незначительное влияние силы тяжести на перенос металла видно и при сварке в потолочном положении, когда скорость движения конца капли оказалась выше, чем в нижнем поло­жении.

Изучение движения капель показывает, что при ручной сварке проволоками и тонкопокрытыми электродами диаметром 4 мм силы ппнч-эффекта не оказывают существенного влияния на перемещение капли к ванне.

На рис. 65,6 приведен случай отрыва крупной капли диа­метром 3,8 мм, двигающейся вдоль оси электрода. График дви — Жспш центра этой капли приведен на рис. 65, а. Из рисунка

г.’н

image92

Рис. 66. Отшнуровывание капли с последующим подтягиванием к электроду против действия сил гшнч-эффекта в шейке (проволока Св-08А диаметром 4 мм, обратная полярность, ток 200 а, нижнее положение)-. а — момент образования шейки; б — вид капли сразу после образования шейки

 

 

видно, что, несмотря на образование тонкой шейки, ускорения капли к изделию за счет действия аксиальных сил пинч-эффек — та не происходит. При просмотре некоторых кинофильме» отме­чены случаи повисання капли на тонкой шейке с последующим ее подтягиванием обратно на электрод против действия сил пинч-эффекта (рис. 66). Кинофильмы показывают, что образо­вание шейки между каплей и электродом диаметром 4 лм при

image93

Рис. G7. Различные причудливые очертания капель перед коротким замыка­нием (проволока Св-08А диаметром 4 мм, обратная полярность, ток 200 а

нижнее положение)

плотности тока до 20 а/мм является весьма редким явлением. Как правило, на капле до короткого замыкания не наблюдается поперечного сжатия. Поэтому теоретическая схема возникнове­ния аксиальных сил нинч-эффекта [131] в этом случае не мо­жет быть признана удовлетворительной. Большое число кино­кадров показывает, что капля может принимать самые причуд­ливые очертания. Это также свидетельствует о малой роли сжи­мающих сил нинч-эффекта на перенос металла в дуге (ркс. 67).

После слияния капли с ванной действие сил пинч-эффекта на перенос металла, по-видимому, является более определен­ным. Пянч-эффект ускоряет разрыв жидкого столбика и способ­ствует переносу металла.

Значительное влияние на перенос металла должно оказывать поверхностное (межфазное) натяжение капель. Капли с малым поверхностным натяжением имеют большую подвижность на конце электрода, что приводит к увеличению числа переносов при сварке. Наоборот, увеличение поверхностного натяжения капель препятствует переносу металла.

Влияние сил поверхностного натяжения капли на характер переноса металла видно из следующих опытов. На одну и tv же проволоку Св-08А диаметром 4 мм были нанесены на жид­ком стекле: гематит, марганцевая руда, рутил, мрамор, кварце­вый песок и плавиковый шпат. Покрытия имели толщину 0,1 — 0,3 мм на сторону, что исключило образование втулочки или односторонних козырьков при сварке и позволило поддерживать
короткую дугу. Сварка выполнялась при обратной полярности от преобразователя ПС-300. Одновременно производилось ос — цнллографнроваиие сварочного тока и напряжения и по осцил­лограммам подсчитывалось количество коротких замыканий. Средняя длина дуги при сварке определялась с помощью одно­временно проводившейся скоростной киносъемки. Условия опы­тов приведены в табл. 30.

С некоторым приближением можно считать, что гематит яв­ляется чистым Fe203, марганцевая руда — Мп02, рутил — ТЮ2, мрамор — СаС03, кварцевый песок — Si02 и плавиковый шпат — CaF2. Поверхностное натяжение капли, покрытой этими веще­ствами, установлено в работах [157, 158]. Авторы определяли

Покрытие

/

в а

ио

В в

Средняя длина ду­ги в мм

Суммарное время осцил — лографирова — ния в сек

Fc.203

151

23,8

1 ,67

1

22

МпО,

151

21 ,8

1,55

26,5

тю2

161

20

1,7

25

Si О»

120

35

1,68

, 0

CaF2

1*8

27.5

1,84

25

ГаС03

172

18

1.43

23,3

Подпись: Таблица 30 Таблица 31 Вещество, нане-сенное на проволоку Атмосфера вок-руг капли N, СО Ге20з 702 725 МпОо 742 8<2 тю2 003 900 sio2 932 987 CaF2 997 1022 CaCO;i 879 993

величину поверхностного натяжения при расплавлении конца низкоуглеродистой проволоки диаметром 2,4 мм в индукционной печи в среде различных газов. На поверхность проволоки пред­варительно наносились на керосиновой пленке тонкие слои ука­занных веществ. Поверхностное натяжение определялось мето­дом собирания капель. Величины сил поверхностных натяжений

|в— • 10~3j в атмосфере азота и угарного газа, представляющие

в случае сварки на воздухе наибольший интерес, приведены в табл. 31 [158].

Па рис. 68 показана зависимость числа замыканий в секун­ду от сил поверхностного натяжения капель в атмосферах СО и N2, по данным табл. 31 для различных однокомпонеитных по­крытий. Очевидна тенденция к укрупнению капель с увеличе­нием сил поверхностного натяжения.

Если в процессе образования капли поверхностное (межфаз­ное) натяжение препятствует переносу металла, то в моменты короткого замыкания оно, наоборот, способствует переносу. Скоростная киносъемка показывает, что при коротких замыка­ниях образуется сголбик жидкого металла. Основание столбика, расположенное на ванне, имеет большую ширину, чем основа­ние, расположенное на электроде, в связи со смачиванием
каплей поверхности ванны. Поэтому разрыв столбика приводит к втягиванию значительной части капли в сварочную ванну. В опытах (табл. 31 и рис. 66) данные о силах поверхностного натяжения соответствовали постоянной температуре капли, лишь несколько превышающей температуру плавления стали.

Подпись: Поверхностное натяжение а) Ь) Рис. 68 Зависимость числа коротких замыканий при сварко от поворхтн г ного натяжения капли, определенного в работе [158]: а — атмосфера азота; й атмосфера угарного газа

В действительных условиях сварки температура капель дол­жна отличаться в связи с разной мощностью приэлектродпого источника, что должно оказать воздействие на поверхностное

натяжение. Влияние температуры на поверхностное натяжение исследовалось неоднократно [ПО]. Однако результаты экспери­ментов но этому вопросу весьма противоречивы из-за трудно­стей получения чистых поверхностей. Уравнение Этвеша, связы­вающее температуру и поверхностное натяжение, показывает, что между температурой и поверхностным натяжением сущест­вует сложная зависимость. Можно лишь предполагать, что при приближении температуры капель к температуре кипения ме­талла поверхностное натяжение должно снижаться и относи­тельное влияние сил ппнч-эффекта на перенос металла должно увеличиваться. Возрастанием роли сил пинч-эффскта по сравне­нию с поверхностным натяжением, по-видимому, объясняется внезапный переход от крупнокапельного к мелкокапельному струйному переносу металла при сварке в среде защитных газов на высоких плотностях тока (см. рис. 60).

При плотности тока до 20 а/мм2 на проволоках и тонкопо­крытых электродах струйный перенос металла наблюдается очень редко. При просмотре более 100 кинофильмов, снятых при сварке различными проволоками и тонкопокрытыми элек­тродами, струйный перепое удалось наблюдать лишь в отдель­ные мгновения сварки проволокой плавки № 2. Кадры со струй­ным переносом и отметки на осциллограмме тока и напряжения, когда такой перенос возникал, приведены на рис. 69. Отличи­тельной особенностью проволоки № 2 являлось весьма низкое содержание углерода, высокое содержание марганца и кремния

Подпись: І
image95

Рис 69. Возникновение струйного переноса металла при сварке проволокой № 2 (состав проволоки см. в примечании к табл. 1). о-катгы киносъемки при скорости 25Ш кадров в 1 се, С; б — осциллограмма тока и напряжения с отметками моментов возникновения струйного переноса (/ 200 а,

ратная полярность)

и небольшое количество растворенных газов. Вероятно, мини­мальное возмущающее действие от выделения газов при сварке этой проволокой создало более благоприятные условия для про­явления сил пинч-эффекта.

Таким образом, при сварке проволоками и тонкопокрытыми электродами ни одна из рассмотренных сил (сила тяжести, пинч-эффекта, поверхностное натяжение) не может обеспечить перемещения капель к ванне и не способна преодолеть перио­дически действующих сил отталкивания в дуге.

Как уже указывалось, ряд исследователей считает, что си­лон, способствующей переносу металла, может быть давление пузырьков газа, образующихся внутри капель при сварке. Единственным прямым способом проверки правильности этой гипотезы могла бы быть скоростная рентгеновская съемка переноса металла. Однако сферическая форма капель затруд­няет четкое выявление внутри них газовых пор даже при зна­чительных экспозициях и неподвижных каплях. Поэтому при экспериментальной оценке влияния выделения газов в каплях на перенос металла пользуются косвенными методами.

Газы внутри капель могут выделяться в результате ряда причин. Если температура капель высока и в металле содер­жится углерод и кислород, то протекает реакция окисления углерода. Реакция усиливается по мере увеличения темпера­туры в связи с тем, что углерод при температурах 2300—2500° К становится более активным раекпелнтелем, чем марганец, крем­ний и другие примеси, содержащиеся в металле капли. Очевид­но, что чем выше температура и чем длительнее будет проте­кать реакция (чем больше время существования капли), тем больше в ней скопится газов.

Влияние окисления углерода па перенос металла подтверж­дается тем, что сварка в потолочном положении безуглероди — стымн проволоками невозможна. Например, проволоки плавок ЛЬ 1 п 2, содержащие 0,02% С и малое количество раство­ренного газа, а также проволока из армко-железа не позволили выполнять сварку в потолочном положении. Киносъемка пока­зывает, что капли стекали по стержню, не поднимаясь к основ­ному металлу (рис. 70). Сравнение числа замыканий при сварке проволокой Св-08А в состоянии поставки и с цементированной поверхностью показало существенное возрастание числа корот­ких замыканий после цементации при неизменном режиме сварки и длине дуги, что можно объяснить усилением образова­ния окиси углерода.

Образование окиси углерода, по-видимому, не является единственной причиной появления и роста газовых пузырей. В сварочной проволоке всегда содержится водород и азот. При расплавлении стержня эти газы также могут диффундировать в газовые полости внутри капель, способствуя их расширению.

Некоторые данные о газообразовании в каплях могут быть получены при рассмотрении капель, застывших на конце элек­трода. Рассмотрение застывших капель показывает, что роль внешней атмосферы в образовании пор в каплях невелика. Это подтверждается следующим опытом. Одна и та же тщательно зачищенная проволока Св-08А расплавлялась на воздухе и в камере, заполненной химически чистым азотом н аргоном. Во

Подпись:всех случаях внутри застывших капель обнаруживались пузы­ри примерно одинакового разме­ра (рис. 71 и 72). Очевитпо, что

image97

Рис. 71. Поры в каплях зачищенной проволоки С. В-П8А, расплавлявшейся в среде активных газов: а — азот: и — воздух

если бы имела значение реакция кислорода воздуха с углеро­дом проволоки или поглощение азота воздуха каплей, го поры наблюдались бы в атмосфере воздуха и азота и отсутствовали в атмосфере аргона. Примерно одинаковая интенсивность пористости во всех трех средах свидетельствует о наибольшем влиянии углерода и газов, содержащихся в проволоке, на об­разование внутренних пор.

По мере увеличения размеров застывших капель объем га­зовых пузырей увеличивается (рис. 73). Это объясняется более длительным существованием крупных капель и более полным выделением газов из металла.

Поры, наблюдаемые в уже застывших каплях, возникают при сварке, когда капля находится в жидком состоянии, а не в результате скачкообразного изменения растворимости водорода

image98

Рис. 72. Поры в каплях зачищенной проволоки Св-08Л при ее плавлении в аргоне I состава

image99

и азота при кристаллизации капли. Это подтверждается при сварке зачищенными проволоками без покрытия, когда наблю­дается образование пор при отсутствии каких-либо источников водорода. Образование пор в каплях после сварки этими про­волоками в чистом аргоне показывает, что растворение в капле азота воздуха также не является решающим. Поры, как пра­

вило, возникают внутри капель границе раздела фаз создаются
на границе плавления, где на наиболее благоприятные усло-

image100

Рис. 74. Авторадиограммы капель на конце электрода

 

image101

вия для возникновения газовых пузырей, растущих затем в сторону более нагретого металла капли (рис. 73, 75 и 76).

Нанесение на электродную проволоку покрытий может су­щественно повлиять на выделение газов в капле, так как бла­годаря конвективным потокам последняя интенсивно взаимодей­ствует со шлаком. Элементы, содержащиеся в шлаке, быстро распределяются по всему объему капли. Это подтверждают авторадиограммы капель на концах электродов, в покрытия которых были введены радиоактивные сера (рис. 74, а) и же­лезо (рис. 74,6). Аналогичные авторадиограммы были получены в работе [11]. Об интенсивном взаимодействии капель со шла­ками свидетельствуют имеющиеся данные о том, что химиче­ские реакции при сварке часто почти полностью заканчиваются на стадии образования капли [57].

Покрытия, взаимодействуя с каплей, изменяют ее химиче­ский состав и либо способствуют, либо препятствуют образова­нию газов внутри капли. Это видно из следующих опытов.

Были получены серии капель на концах электродов разных ма­рок и зачищенных стержней без покрытия, из которых эти элек­троды изготовляли. Затем капли спиливали для определения пористости. Во всех случаях электродные стержни без покрытия

image102

Рис. 75. Закристаллизовавшиеся капли при оплавлении прово­лок различных электродов, очищенных от покрытия

образовывали капли с интенсивной пористостью, в то время как капли на ряде покрытых электродов имели значительно боль­шую устойчивость против образования пор (рис. 75 и 76).

Наибольшее сопротивление образованию пор в каплях на­блюдается у электродов с основными покрытиями. Пониженная

Подпись: Рис. 7Ь. Закристаллизовавшиеся капли при оплавлении электродов с раз-личными покрытиями
image103

склонность к пористости в каплях у электродов с основными покрытиями объясняется сильным раскисляющим действием этих покрытий, содержащих большое количество ферротитана, а также относительно низкой температурой капель (см. рис. 44), что снижает интенсивность реакции окисления углерода.

Основные шлаки вносят в металл капли минимальное коли­чество вредных примесей и газов. Проволоки без покрытия, а

также электроды с покрытиями рудно-кислого, рутилового и ор­ганического типов образуют пористость как из-за высокой тем­пературы капель, усиливающей выгорание углерода, так и в связи с внесением в каплю из покрытий углерода, кислорода, водорода и других вредных примесей.

Образование пор в каплях может способствовать пористости швов, так как не исключено попадание газовых пузырей вместе с каплями в сварочную ванну. По-впднмому, высокая устойчи­вость против пористости в каплях является одной из причин хорошей стабильности результатов механических испытаний при сварке электродами основного типа. Однако даже у элек­тродов основного типа при увеличении времени существования капли за счет удлинения дуги или при чрезмерно большом токе, повышающем температуру капель, удается получить поры в каплях. Этим, в частности, может быть объяснена пористость швов при сварке электродами основного типа, имеющими боль­шой эксцентрицитет покрытия, способствующий удлинению дуги.

Как показывает киносъемка, действие газов па перепое ме­талла нельзя рассматривать как равномерный процесс. Газы, расширяя каплю, приближают ее к изделию. Выбросы газа приводят к раскачиванию капли на конце электрода. Деформа­ции и колебания капли происходят до тех пор, пока она не кос­нется ванны и ие будет втянута в нее силами поверхностного (межфазного) натяжения. Если в дуге создаются условия, не способствующие интенсивному расширению газа в капле и его выбрасыванию, то перенос должен происходить более устойчи­во. Это действительно наблюдается при сварке проволоками на короткой дуге при умеренных значениях мощностей приэлек тродпых источников тепла у капли.

Если в дуге возникают условия для разрыва капель внутрен­ним газом еще до замыкания их с ванной (длинная дуга, боль­шой ток), то наблюдается повышенное разбрызгивание и нена­правленный перенос без коротких замыканий. На рис. 77, а показан такой случай выбрасывания газа из капли на конце проволоки Св-08А с образованием характерного «сапожка». Заметное на кинофильмах и осциллограммах усиление вибрации капли по мере ее роста вызывается в значительной мере усиле­нием процесса выбрасывания газа из капли при увеличении се размеров.

Па выбросы газа существенное влияние оказывают тепловые процесы в дуте, регулируемые типом покрытия Скоростная киносъемка показала, что нанесение на электрод тонких покрытий из кварцевого песка или плавикового шпата, по­вышающих номинальное напряжение и сильно увеличиваю­щих мощность приэлектродных источников тепла, способствует более бурному выделению газа и отталкиванию капли. Одно-

image104

Рис. 77. Выбрасывание газов из капли (проволока Св-08Л диамет — р>» -1 лил, обратная полярность, ток 200 а. нижнее положение):

 

и — і бг;чинніше характерного «сапожка»: б — разрыв газового пузыря при
коротком замыкачин

 

 

временно значительно ухудшается стабильность горения дуги и возрастает разбрызгивание. Нанесение мела при тех же усло­виях снижает мощность приэлектродных источников тепла. Температура капли уменьшается и ее отталкивание становится значительно менее заметным.

Помимо изменения интенсивности выделения газа при нанесении различных тонких покрытий, можно указать на влия­ние повышения тока, увеличивающего мощность, выделяемую у электрода, и температуру капли, что также приводит к воз­растанию сил отталкивания. В связи с этим стабильность го­рения дуги на чрезмерно больших токах при ручной дуговой сварке проволоками ухудшается.

Ухудшение устойчивости дуги с увеличением мощности нри — электродных источников тепла связано не только с увеличением реактивных сил при выбрасывании газов из капель. Возникают также реактивные силы другого типа, вызываемые периодиче­ским разрушением активных пятен дуги с одновременным исте­чением струп паров металла [35]. Разрушение приэлектродных областей нс только создает реактивные силы от возникающих струй паров, по и способствует блужданию активных нягеп по поверхности электродов.

В связи с высокой частотой разрушений, имеющих характер мпкровзрывов, возникают локальные повышения давлений в приэлектродных областях [108].

Возникновение этого эффекта, визуально воспринимаемого как давление активных пятен на электроды, можно трактовать следующим образом. В св’язи с небольшим объемом прнэлек — тродной области и высокими значениями эффективного падения напряжения накапливаемая в приэлектродной области удельная тепловая энергия намного превосходит удельную тепловою энер­гию в столбе и жидком металле. Так как поверхность приэлек­тродной области мала, столбу и электроду будет передаваться только небольшая часть энергии, накопленной этой областью. После кратковременного существования приэлектродной обла­сти в стационарном состоянии разность в концентрациях энер­гии становится настолько значительной, что происходит тепло­вой микровзрыв, обеспечивающий мгновенную передачу энергии, разрушающий активное пятно и приводящий к его смещению в повое положение.

Большую вероятность протекания таких процессов можно подтвердить приблизительным расчетом. Удельная тепловая энергия, накапливаемая в приэлектродной области, имеет сле­дующее значение;

Q — U‘K!- — . (1.4)

где 6—протяженность приэлектродной области, обычно со­ставляющая НИ3 см

і— площадь активного пятна, составляющая не более 10~2 см2;

t —время стационарного существования приэлектродной области в сек.

При токе 150 а и эффективном прнэлектродном падении на­пряжения 10 в в приэлектродной области должна выделиться удельная мощность 150 000 кет/см.3 В столбе дуги, если считать, что плотность тока составляет 2000 а/см2 и градиент напряже­нии is столбе 30 в/см, выделяется удельная мощность 60 квт/см3. Удельная мощность, выделяемая в жидкой стали при темпера­туре, близкой к кипению, составляет всего около 20 кет/см1. Г1пи таких больших отличиях уровней энергий контактирующих об­ластей невозможно представить нормальный теплообмен между ними, процесс имеет взрывной характер.

ПЕРЕНОС МЕТАЛЛА И ВОПРОСЫ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ Подпись: (2.4)
image105

Должно существовать критическое значение накопленной энергии QKpu„n при котором приэлектродная область еше может находиться в стационарном состоянии. Этому критическому значению энергии соответствует критическое время стационар­ного существования приэлектродной области

Подпись: Крит Подпись: (3.4)
image106

откуда частота микровзрывов приэлектродной области, харак­теризующая интенсивность блуждания активного пятна, выра­зится зависимостью

Из выражения (3.4) следует, что интенсивность блуждания активного пятна усиливается с увеличением тока и эффектив­ного приэлектродного падения напряжения. Такое усиление блуждания пятен действительно наблюдается при сварке по мере увеличения тока или номинального напряжения горения дуги. Увеличение мощности приэлектродных источников также приводит к увеличению силы микровзрывов, что при повышен­ной их частоте воспринимается как повышение давления актив­ных пятен на электрод.

Так как обычно U3K>U3a и протяженность катодной области несколько меньше протяженности анодной области, давление обычно должно сильнее проявляться в катодной области. Это подтверждается результатами определения давления дуги на электрод при прямой и обратной полярностях (рис. 53 и 54) н просмотром кинофильмов. Практика сварки также показы­вает, что подключение электрода к отрицательному полюсу ма­шины при высоких поминальных напряжениях дуги делает
невозможным процесс сварки, так как приводит к сильному блужданию пятна и разбрызгиванию капель.

image107
image108 image109

I [ривсдсннос объяснение, конечно, не описывает всего много­образия очень сложных явлений в приэлектродных областях. Блужданию катодного пятна, например, может способствовать изменение работы выхода электронов по мере нагревы катода. По данным В. С. Фоменко, большинство сложных катодов уве­личивает работу выхода с повышением температуры [123]. Это должно способствовать смещению катодного пятна па менее на­гретый участок поверхности, усиливая его блуждание.

Рис. 78. Особенности действия реактивных сил на каплю при наличии вт’

лочки из покрытия.

а — схема переноса металла под действием реактивных сил паров — о — форма к*ігри сталлнзованшнхея капель при сварке покрытыми электродами на большом токе (рент

гемограммы)

Частота микровзрывов т в сварочных дугах, по-вндпмому, очень высока, так как даже при скорости киносъемки 5000 кад­ров в секунду не удается замерить скорости перемещения активных пятен.

Нанесение электродных покрытий в значительной мере ней­трализует неблагоприятное действие реактивных сил на пере­нос металла. Образование хорошо сформированной втулочки из покрытия позволяет направить поток газов и паров в сторону ванны и придать отталкивающим силам в дуге кумулятивный характер. В этом случае отталкивающие силы должны способ­ствовать переносу металла. Перенос металла при наличии вту- лочкп может происходить даже при отсутствии газов внутри капли за счет давления активных пятен дуги в соответствии со схемой на рис. 78, а. Увеличение мощности приэлектродных ис­точников способствует раздроблению капель и образованию плоских торцов электрода, часто имеющих сплющенную грибо­видную форму (рис. 78,6).

При больших мощностях приэлектродных источников реак­тивные силы могут стать настолько значительными, что раз­дробление капель приведет к существенным потерям металла на разбрызгивание.

На рис 79 показано значение коэффициента потерь в зави­симости от тока для промышленных электродов диаметром 4 мм при прямой и обратной полярностях. В целом потери растут по мере звеличення мощности приэлектродных источников у капли. Как и в случае плавления электродов и основного металла, можно отметить асимметрию потерь металла при разных поляр­ностях. Электроды с высоким номинальным напряжением име­ют существенно более высокие потери на прямой полярности.

image110

Рис. 79 Зависимость коэффициента потерь о г тока.

а прямая полярность; б — обратная полярность

Электроды с малым поминальным напряжением имеют мень­шую разницу в величине потерь при разной полярности. Одна­ко эта асимметрия выражена менее четко, чем при плавлении, так как на разбрызгивание металла, помимо мощности, вводи­мой в каплю, влияет интенсивность разрушения перемычек при коротких замыканиях, количество растворенных газов и меж — фазное натяжение на границе шлак—металл. Многообразие действующих факторов является причиной сложного хода кри­вых на рис. 79 для некоторых марок электродов.

Локализация давлений в приэлектродных областях выра­жена в наибольшей степени, когда столб дуги имеет контакт с окружающей атмосферой на большом протяжении, т. е. при большой длине дуги. Если электрод с покрытием постепенно приближать к сварочной ванне и сокращать кольцевой зазор между втулочкой из покрытия и поверхностью ванны, то давле­ние начнет увеличиваться во всем объеме дуги в связи с обра­зованием замкнутого пространства. В предельном случае свар­ки опиранием общее среднее давление дуги достигнет макси­мального значения.

Опыты по сварке с опиранием при различных давлениях груза на электроды показали, что дуга может гореть без

обрыва при давлениях, превышающих давления при сварке на весу, приблизительно на три порядка.

Скоростная киносъемка показывает, что при этом втулочкз из покрытия часто опирается на поверхность нерасплавленного металла. По-вндимому, величина давления груза на электрод в значительной степени определяется различной прочностью втулочкп у разных электродов. Однако определенное значение имеет н давление, возникающее внутри втулочкп, так как при различных токах и полярностях максимальная величина груза у одного п того же электрода существенно отличается (табл. 32).

Таблица 32

Электрод

Поляр­

ность

Нагрузка, иы зыкающая ко ротное замы­кание ДУГИ, в кг

Электрод

Поляр­

ность

Нагрузка, ны — аывач. щая ко­роткое замы­кание дуги, в кг

Ток

в а

Ток в а

135

185

135

165

MP3

Прямая

6,8

9,4

ВСЦ1

Прямая

5,4

8,2

Обратная

8,5

10,2

Обратная

4,9

9,6

ЦМ7

Прямая

4,9

7,8

Флитвелд 5

Прямая

8

8,2

Обратная

6,3

9,8

Обратная

3,7

9,2

Уош 113/5Г)

Прямая

4,9

6,8

Шилдарк 85

Прямая

7,3

8,2

Обратная

5,5

8

Обратная

5.5

10

Возможность некоторого регулирования давления дуги за счет прижатия электрода к кромкам изделия имеет практиче­ское значение при сварке корневого слоя шва стыковых соеди­нении. В этом случае повышенное давление дуги выбрасывает частицы металла через зазор соединения и обеспечивает равно­мерное формирование обратного валика с гарантированным проваром. Особенно целесообразна такая технология сварки корпя шва целлюлозными электродами, имеющими малое коли­чество шлака и тонкое покрытие, хорошо вписывающееся в раз­делку кромок.