Многоэлектродная наплавка

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МНОГОЭЛЕКТРОДНОЙ НАПЛАВКИ

Особенности плавления электродного металла

В многоэлектродной системе каждый электрод пла­вится в определенной части ванн*», где он отдает на­копленную теплоту. Процесс плавления электродного металла во многом определяет производительность наплавки, глубину и равномерность проплавления основного металла, физико-химические процессы, про­текающие в ванне жидкого металла и при контактиро­вании капель электродного металла с газовой средой и флюсом.

Плавление электродов при многоэлектродной на­плавке происходит дискретно (прерывисто) за счет периодического возникновения дуги на каждом из них в зависимости от сопротивления дугового промежутка. Поведение дуги определяется комплексным воздейст-

вием электрических, магнитных, химических и газо - пмродинамических факторов Дуга стремится гореть в месте наименьшего расстояния между электродом и изделием при минимальном сопротивлении и падении напряжения.

Скорость возникновения дуги на электродах и время ее существования оказывает большое влияние на про­изводительность процесса, глубину проплавления и рав­номерность расплавления основного металла. С уьели - чением частоты возникновения дуги на электродах растет производительность и увеличивается глубина проплавлення. Частота возникновения дуги нг электро­дах зависит от сварочного тока, напряжения, диаметра электрода, скорости наплавки, состава защитной среды и других факторов.

Во время наплавки в системе электродов может гореть одна или несколько дуг одновременно. Число горящих дуг зависит от напряжения, диаметра и ско­рости подачи электродов в зону наплавки. При низком напряжении и минимальной скорости подачи даже при очень большом числе электродов горит только одна дуга. Если напряжение увеличить, то возможно горение нескольких дуг.

Осциллографические исследования показывают, что при наплавке под флюсом началу горения дуги на каж­дом электроде предшествует короткое замыкание с из­делием длительностью 0,01—0,08 с, после чегс возбуж­дается дугоьой процесс. Ток короткого замыкания в одном из электродов вызывает незначительные иска­жения нулевых линий осциллограмм прилегающих электродов. Установившийся дуговой процесс наступает через 1,5—1,6 с, когда продолжительность горения дуг на отдельных электродах составляет 0,05—0,2 с. Мак­симальная продолжительность горения дуг наблю­дается у крайних электродов.

С увеличением скорости подачи электродов продол­жительность горения дуг возрастает. Для каждого диа­метра проволоки при определенном напряжении суще­ствует критический ток (критическая скорость подачи электродов), когда дуги на всех электродах горят постоянно. Это увеличивает глубину проплавления основного металла.

Плавление многоэлектродной системы под флюсом характеризуется одновременным переносом капель

металла как на электродах, где горит дуга, так и на других электродах. В местах горения дуги металл переносится крупными и мелкими каплями в течение всего периода существования дуги. На других электро­дах он переносится в основном мелкими каплями и, как правило, в тот период фазы переменного тока, который существует на горячем электроде. Это лишний раз подтверждает тот факт, что наличие электрического поля вокруг, системы электродов влияет на их плав­ление.

При сварке в среде защитных газов процесс пере­носа капель легко наблюдать визуально, особенно при наплавке тонкой проволокой (диаметром 0,8—1,2 мм). В начальный период образования капля за счет сил поверхностного натяжения движется вверх по элек­троду, а затем, когда ее диаметр достигает 3—4 мм, отрывается от электрода под действием веса и электро­динамических сил. Во время отрыва капля несколько вытягивается и иногда замыкает межэлектродный про­межуток. В этот момент наблюдается интенсивное разбрызгивание металла. Однако бывают случаи и сво­бодного полета капли в межэлектродном промежутке.

Средняя температура капель на электроде при мно - гоэлек'!родной наплавке под флюсом на переменном токе достигает 2200 °С.

А. П. Сущенко достаточно подробно исследовал про­цесс плавления электродов при широкослойной на­плавке на постоянном токе. Им показана форма дуго­вых импульсов, получены средние частоты и суммарное время их существования. Согласно его представлениям во время многоэлектродной наплавки на постоянном токе система работает в импульсном режиме, длитель­ность и период повторения импульсов не постоянны, Форма импульсов трапециевидная, возникновение им­пульса в одном из электродов по времени никогда не совпадает с моментом возникновения импульсов в дру­гих электродах. В большинстве случаев возникающий импульс подавляет (прекращает) течение импульсов на других электродах. Наблюдаются случаи одновре­менного существования импульсов на нескольких элек­тродах (параллельные импульсы), при этом их ампли­туды меньше амплитуд одиночных импульсов, а кон­фигурация приобретает пилообразную форму. В паузах между импульсами сила тока в электроде вначале падает до нулевою значения, а затем нарастает. Про­цесс многоэлектродной наплавки в некоторой степени имеет сходство с известным процессом импульсно-дуго­вой сварки. Отличие состоит в том, что при импульсно­дуговой сварке оптимальные характеристики и частота импульсов, налагаемые на дежурную дугу, управляемы (запрограммированы). При многоэлектродной наплавке характеристики и частоты импульсов произвольны и лишь в некоторой степени зависят от параметров режима наплавки и технологических факторов. Роль дежурной дуги выполняет шлаковый процесс на элек­тродах, а плавление, формирование и перенос капель происходят во время импульса.

Условия повторных возникновений импульсов при установившемся процессе ^отличаются наличием ванны жидкого шлака и металла, поддерживающих высокую температуру на концах электродов - Повюрный импульс происходит в результате замыкания электрода через жидкий шлак (наиболее распространенный случай}, каплю металла на электроде, без капли на электроде, а также без замыкания путем ионизации газов в про­межутке косвенным действием импульса на соседнем электроде.

По нашим представлениям, сам процесс плавления электродов при многоэлектродной наплавке ничем не отличается от плавления одиночного электрода, хирошо изученного и описанного ь литературе. В то же время при многоэлектродном процессе имеет место система плавящихся электродов, поведение которой в этих условиях имеет некоторые особенности. Указанная система может быть настроена так, что в ней будет преобладать одиночное пульсирующее горение электро­дов с перерывами. В этом случае процесс идет очень неустойчиво. Формирование поверхности наплавлен­ного валика плохое, удельный расход энергии на плав­ление электродного металла минимальный, производи­тельность невысокая.

Когда в системе преобладает групповое перекрывае­мое горение электродов, а в отдельные моменты дуги горят на всех электродах, процесс идет устойчиво, обеспечиваются хорошее формирование наплавленного слоя даже на переменном токе, малое проилавление основного металла, повышенный удильный расход электроэнергии на плавление электродного металла,

высокая стабильность металлургических реакций. Спо­соб применим для нанесения слоев толщиной 5 мм и выше, если требуется максимальная производитель­ность наплавки; в сочетании с колебаниями решает многие важные задачи наплавки, особенно поверхно­стей большой ширины.

Существенное влияние на плавление электродов оказывает Ьл взаимное расположение относительно направления наппавки, например, фронтом, вдоль оси, под углом к оси, под углом, когда ось наплавки явля­ется его биссектрисой, и другими способами, показан­ными на рис. 1. Вдоль фронта электроды можно рас­полагать равномерно и неравномерно, последнее обес­печивает хорошее формирование наплавленного слоя у краев.

Нагрев и плавление электрода можно условно раз­делить на два вида [24].

Первый — нагрев за счет теплоты дуги пропорцио­нален ее тепловому эквиваленту, т. е.

Я» = Леїw»

где т]э — эффективный КПД процесса нагрева электрода дугой; U — напряжение дуги, В; 1 — сила тока дуги, А.

Второй — нагрев проходящим током в соответствии с законом Джоуля—Ленца.

При шлаковой сварке нагрев электрода имеет много общего с нагревом электрода при дуговой сварке.

Рис. I. Возможные расположения электродов относительно на­правления наплавки (показано стрелкой):

а — фронтом; б —вдоль оси наплавки; в — под углом к оси наплавки; г — фронтом, когда электроды расставлены неравномерно (у краев сгуще­ны); а —углом с различными расстояниями друг от друга; е — углом на равных расстояниях друг от друга

Однако при шлаковой сварке роль дуги выполняет активная оОна шлаковой ванны, электрод погружен в шлак на значительную глубину, кратную нескольким диаметрам. Нагрев этой части электрода («мокрого вылета») происходит под действием еще дополнитель­ной теплоты, передаваемой электроду шлаковой ван­ной. Увеличивая вылет электрода до 2и0—220 мм, можно нагреть электродную проволоку на подходе к шлаковой ванне мО температуры 1000 °С. При этом сварочный ток снижается на 20—30%, а скорость свар­ки растет. Устойчивость электрошлакового процесса при сварке на большом вылете значительно выше, чем на обычном.

Указанные особенности плавления электродов и передачи теплоїы расплавленной ванне в многоэлек­тродной системе значительно усиливаются благодаря взаимному влиянию плавящихся электродов [25]. Например, при плавлении нескольких электродов под флюсом в импульсном режиме зажигание дуги на оче­редном электроде упрощается, так как его торец нахо­дится в Hat ретом состоянии в результате элек^рошла - кового процесса, протекающего на нем в промежутках между периодами горения дуги [25].

Равномерности тепловложения в ванну способствует импульсное плавление электродов, которое поддержи­вает высокий суммарный тепловой градиент и способст­вует лучшему отводу теплоты из отдельных точек ванны в промежутках между дуговыми импульсами.

Вид переноса металла плавящихся электродов в ванну (крупнокапельный, мелкокапельный или струй­ный) влияет на глубину проплавления. С точки зрения гидродинамики и условий перемешивания ванны пред­почтительнее струйный перенос.