МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНЖЕНЕР-СВАРЩИК

Типы переноса металла при сварке MIG/MAG

Процесс сварки MIG/MAG, будучи процессом, при котором используется пла­вящийся электрод, характеризуется переносом электродного металла через дугу в сварочную ванну. Перенос металла осуществляется посредством капель расплав­ленного электродного металла формирующихся на торце электродной проволоки. Их размер и частота перехода в сварочную ванну зависят от материала и диаметра электродной проволоки, типа защитного газа, полярности и значения тока сварки, напряжения дуги, давления окружающей среды, и других факторов

Характер переноса электродного металла определяет, в частности, стабиль­ность процесса сварки, уровень разбрызгивания, геометрические параметры, внеш­ний вид и качество сварного шва.

Силы управляющие переносом электродного металла при сварке MIG/MAG

При плавлении электрода капля подвергается воздействию нескольких сил. которые могут как спо­собствовать, так и препятствовать отделению капли от электрода. Капля отделится от электрода когда сум­марное воздействие сил, способствующих отделению, превысит суммарный эффект сил удерживающих её на торце электрода. Основными силами, действующими на каплю являются: сила тяжести, электромагнит­ная сила, сила поверхностного натяжения расплав­ленного металла, аэродинамическая сила и сила ре­акции струи паров с поверхности капли, эти силы показаны схематически, а ниже представлен их анализ.

Сила тяжести (Fg)

Эта сила вызывается эффектом гравитации и зависит от массы тела; в случае с каплей элек­тродного металла, она зависит от её размеров и плотности жидкого металла. В зависимости от по­ложения сварки сила тяжести способствует или препятствует отделению капли. В случае сварки в нижнем положении эта сила способствует переходу капли в сварочную ванну, в то время как при сварке в потолочном положении её осевая составляющая препятствует этому (Рис. 1.8.2). Хотя сила тяжести может быть разложена на две составляющие, осе­вую {Fgz) и радиальную (Fgr), в нижнем положении они обе действуют на отделение капли (см. Рис. 1.8.2). Таким образом, анализируя воздействие этой силы на каплю электродного металла, следует учитывать её полное значение, определяемое по формуле:

л

F.-Wpg.

где: DK - диаметр капли, р - плотность жидкого ме­талла капли.

Электромагнитная сила (F3 M)

Вокруг электрического проводника с током об­разуется магнитное поле, которое в свою очередь, взаимодействуя с этим током, поро­ждает радиальные силы, направленные к центру проводника (силы Лоренца). Чем больше электри­ческий ток, тем більшими эти силы. Однако применительно к твёрдым проводникам эффектом воздействия этих сил можно пренебречь. В случае же жидкого проводни­ка (каким как раз и является капля жидкого металла) этот эффект может быть очень существенным, так как каждая единица его объёма подвергается воздействию элек­тромагнитной силы (f3M), пытающейся переместить материал проводника к его цен­тру:

f9M = fi(JxB),

где: jj- магнитная проницаемость; J - плотность тока; В - интенсивность магнитного

поля.

Если принять, что в капле цилиндрической формы плотность тока неизменна по всему поперечному сечению, то интенсивность магнитного поля в каждой опреде­лённой точке капли может быть определена с помощью следующей формулы:

В = J х г/2,

где: г- расстояние от оси жидкого цилиндрического проводника до искомой точки.

Формула (1.8.3) показывает, что интенсивность магнитного поля выше на по­верхности капли и равна нулю по её оси. Подставив параметр В из формулы (1.8.3) в формулу (1.8.2), получаем:

*,„=/// хг/2,

Значение электромагнитной силы можно также выразить через градиент давле­ния в направлении к оси цилиндра:

dp/dr = Mf хг/2,

Вычислив интеграл этого выражения от г до R (внешний радиуса цилиндра) по­лучаем выражение для вычисления давления в любой точке внутри жидкого провод­ника цилиндрической формы (PlW):

Из уравнения следует, что давление достигает максимума по оси про­водника и равно нулю на его поверхности. Повышенное давление внутри капли ци­линдрической формы вызывает сжатие жидкого металла и его вытеснение вдоль оси капли (капля стремится удлиниться).

Если поперечное сечение жид­кого проводника является перемен­ным вдоль его оси, то линии тока внутри капли становятся либо рас­ходящимися, либо сходящимися в зависимости от изменения попе­речного сечения проводника. При­менительно к капле расплавленно­го электродного металла эти вари­анты распределения линий тока внутри неё будут зависеть от раз­меров активного пятна снизу капли. Линии тока сходятся, если площадь активного пятна меньше поперечно­го сечения электрода и расходятся в противоположном случае. При этом воз

никают осевая и радиальная (f3Mr) компоненты электромагнитной силы

Радиальная компонента будет продолжать оказывать давление на жидкий металл в направлении от поверхности капли к её оси (но уже с меньшей интенсивностью по сравнению с тем, что имело место в случае цилиндрического жид­кого проводника) и выжимать жидкий металл в осевом направлении (тем самым, косвенно, способствуя отделению капли). В то время как осевая составляющая бу­дет стремиться переместить расплавленный металл из района с меньшим попереч­ным сечением, где давление выше, в район проводника с большим поперечным се­чением, где, наоборот, давление меньше. Таким образом, каким будет направление результирующей осевой составляющей (Рзмг) - способствующей или препятствую­щей отделению капли - будет зависеть от распределения токовых линий (см. Рис. 1.8.4), и может быть определено вычислением следующей формулы (знак «-» будет означать, что сила будет направлена к электроду, т. е. будет препятствовать отделе­нию капли):

4л R3

где: Ra n и /?э - соответственно, радиус активного пятна и радиус электрода.

Радиус Ra n (и, следовательно, размер активного пятна на капле) зависит от ма­териала электрода, состава защитного газа, полярности тока сварки и значения тока сварки. Анодное активное пятно больше, чем катодное (см. Раздел 1.4). Защитный газ с более низким потенциалом ионизации также способствует увеличению площа­ди активного пятна. Она также увеличивается с повышением тока сварки. Всё это указывает на то. что лучшие условия, при которых осевая компонента электромаг­нитной силы F3.u. z будет направлена в сторону сварочной ванны, т. е. будет способ­ствовать отделению капли, возникают при сварке MIG на обратной полярности вы­сокими токами при использовании защитной газовой смеси на базе аргона.

Влияние тока сварки заслуживает более детального анализа. По мере установ­ки всё более высокого значения тока сварки, радиус активного пятна Ran повышает­ся, пока, в определённый момент, не превысит радиус электрода R3. В этот момент осевая компонента электромагнитной силы F3M. z, которая действовала против отде­ления капли, меняет своё направление и начинает теперь уже способствовать это­му. Вследствие этого, происходит существенное и резкое снижение времени форми­рования капли до её отрыва, что приводит к резкому возрастанию частоты перехода капель. В этих условиях капли не успевают вырасти до больших размеров Значение тока сварки, при котором происходит это явление, называется критическим током (1хр). Обычно, значение критического тока определяется экспериментальным путём посредством выполне­ния серии сварок каждый раз на все более высоком токе.

Однако необходимо напомнить ещё раз, что каким бы ни был ток сварки, ради­альная составляющая электромагнитной силы (F5wr) будет всегда способствовать отделению капли, облегчая образование шейки и способствуя ее сжатию вплоть до ее разрыва (Рис. 1 8.5). Кроме того, как было показано выше, эта сила способствует перемещению жидкого металла капли вдоль её оси в направлении дуги, созданием повышенного давления внутри капли. Из-за сжимающего эффекта, оказываемого этой компонентой электромагнитной силы, механизм воздействия этой силы на жид­кий проводник получил название пинч-эффекта (английское слово “pinch" означает сжатие).

Сила поверхностного натяжения (FnH)

Эта сила стремится удержать каплю жидкого металла в форме с минимально возможной свободной поверхностью, которая находится в контакте с окружающей газовой средой. Она определяется величиной поверхностного (межфазного) натя­жения на границе металл - газ и геометрическими параметрами капли:

р„.=|-TTRI

где: а - коэффициент поверхностного натяжения, RK - радиус кривизны поверхности капли.

До образования шейки местом приложения силы F„H можно принять плоскость, проходящую через границу между твёрдым и жидким металлом [Потапьевский. си­няя брошюра]. После образования шейки жидкого металла таким местом можно счи­тать плоскость, проходящую через минимальное сечение шейки. Силу поверхност­ного натяжения можно разложить на две составляющие: осевую, удерживающую ка­плю на торце электрода, и радиальную, стремящуюся сжать каплю

Сила F„„ зависит от всех факторов, которые воздействуют на поверхностное натяжение, таких как форма и размеры капли (она уменьшается по мере роста кап­ли), химический состав жидкого металла капли, температура и градиент температур на поверхности капли, а также состав защитного газа. Сила поверхностного натяже­ния уменьшается при образовании окислов на поверхности капли, как, например, при сварке в среде защитного газа с добавками активных газов (Ог и СОг). Вследст­вие этого, её значение подвержено существенным изменениям в течение формиро­вания и отделения капли. Чем выше сила поверхностного натяжения, тем капля большего объёма может быть удержана на торце электрода.

Благодаря тому, что свободная поверхность сварочной ванны мала (по сравне­нию с её объёмом), при возникновении контакта капли с поверхностью ванны сила поверхностного натяжения стремится втянуть каплю внутрь сварочной ванны. Дру гими словами, сила поверхностного натяжения препятствует отделению капли от торца электрода пока не установится её контакт с поверхностью ванны и становится силой способствующей переходу капли после установления такого контакта.

Аэродинамическая сила (Fe d)

Аэродинамическая сила поро­ждается потоком плазы и газа внут­ри дуги, который обтекает каплю.

При этом, согласно законам аэро­динамики, снизу капли образуется зона пониженного давления (завих­рения, как показано на Рис. 1.8.6), которая приводит к тому, что капля вытягивается Причем, чем крупнее капля и выше скорость плазменного потока, более существенной стано­вится эта сила, которая всегда спо­собствует отделению капли. Этим

объясняется ТОТ факт, что на низких рис. 1.8.6 Иллюстрация механизма возникно­вения аэродинамической силы в результате режимах сварки, когда капли дости - обтекания капли потоком газа

гают больших размеров, эта сила

возрастает и её роль в переносе капель становится более значительной. Таким об­разом, аэродинамическая сила зависит от размера капли, плотности и скорости по­тока плазмы и газа и соответствующего коэффициента аэродинамического сопро­тивления системы.

Сила реакции струи паров с поверхности капли (Fr)

Сила реакции возникает в результате реактивного воздействия на каплю струи паров металла исходящего из активного пятна (участка поверхности капли с наи­высшей температурой). Эта сила возрастает по мере повышения тока сварки и с увеличением содержания в электродной проволоке элементов с более высокой уп­ругостью пара. Эффект воздействия силы реакции на каплю также возрастает по мере сжатия активного пятна и столба дуги (при сохранении одного и того же значе­ния тока сварки).

Поперечные размеры столба дуги зависят от тока сварки, теплопроводности газа, заполняющего дуговой промежуток, и давления. Чем выше тепло­отвод от столба дуги (как, например, в случае ис­пользования гелия в качестве защитного газа), дав­ление и ниже ток сварки, тем меньше поперечные размеры столба дуги. При использовании молеку­лярных защитных газов (как, например, N2 или С02) сужение токопроводного канала дуги вызывается снижением температуры в периферийных областях дуги из-за диссоциации молекул газа. Диссоциация молекул газа (например, С02 -» СО + 'Л02), и, как следствие, образование двойного объёма газов, приводит к повышению давления в межэлектродном промежутке и к ещё большему сужению столба дуги.

Приложение силы реакции к меньшему участку поверхности в нижней части капли может приводить к её отклонению от соосного с электродом положения. Этому также способствует и избыточное давление в зоне активного пятна, вызываемое диссоциацией много­атомных газов (в случае сварки в среде, N2 или С02), которое непосредственно воз­действует на каплю. После того, как капля уже оказалась отклонённой, она может поддерживаться в таком положении теми же силами реакции и избыточного давле­ния от диссоциацией многоатомных газов, а также потоками плазмы и газа отражён­ными от поверхности основного металла, согласно схеме показанной на Рис. 1.8.7, случай типичный для сварки в среде С02.

Сила реакции препятствует отделению капли от торца электрода, а будучи зна­чительной. она может вызывать перенос металла с характерным отталкиванием ка­пель в сторону от дуги, сопровождаемым большим разбрызгиванием металла.

Действие этой силы в 4 ... 5 раз ниже на обратной полярности (когда электрод является анодом), чем на прямой (когда электрод является катодом). Наиболее при­емлемое объяснение этому основывается на том, что благодаря большей площади анодного активного пятна и меньшей плотности тока в нём по сравнению с катодным активным пятном (см. Раздел 1.4), интенсивность испарения с него меньше, и мень­шей является результирующая силы реакции соосная с электродом. В результате этого, при прочих равных условиях, при сварке на обратной полярности капли элек­тродного металла имеют меньшие размеры, по сравнению со сваркой на прямой по­лярности.