Основы сварочного дела

Плавление и перенос металла в дуге

Металл плавящегося электрода пе­реходит (в виде капель различного размера) в сварочную ванну. Схема­тично перенос металла электрода мож­но представить в следующем виде. В начальный момент металл на конце электрода подплавляется и образует­ся слой расплавленного металла (рис. 12, а). Затем под действием сил поверхностного натяжения и силы тя­жести этот слой металла принимает форму капли (рис. 12, б) с образова­нием у основания тонкой шейки, которая с течением времени умень­
шается. Это приводит к значи­тельному увеличению плотности тока в шейке капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны (рис. 12, в). В этот момент происхо­дит короткое замыкание, сварочной цепи. Резкое возрастание тока приво­дит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает дуга (рис. 12, г), но уже между торцом электрода и каплей. Под давлением паров и газов зоны дуги капля с уско­рением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть ме­талла разбрызгивается. Затем процесс каплеобразования повторяется.

Установлено, что время горения ду­ги и короткого замыкания составля­ет примерно 0,02...0,05 с. Частота и продолжительность короткого замы­кания в значительной степени зави­сят от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше корот­ких замыканий и тем они продолжи­тельнее.

Форма и размеры капель металла определяются силой тяжести и силами поверхностного натяжения. При свар­ке в нижнем положении сила тяжести способствует отрыву капли, а при по­толочной сварке препятствует перено­су металла электрода в шов. На раз­меры капель большое влияние оказы­вают состав и толщина электродного покрытия, а также сварочный ток. Электродное покрытие, как правило, снижает поверхностное натяжение металла почти на 25...30%. Кроме то­го, газообразующие компоненты пок­рытия выделяют большое количество газов и создают в зоне дуги повышен­ное давление, которое способствует размельчению капель жидкого метал­ла. При повышении сварочного тока размер капель уменьшается. Перенос электродного металла крупными кап­лями имеет место при сварке на малых токах электродами с тонким покры­тием. При больших плотностях свароч­ного тока и при использовании электро­дов с толстым покрытием перенос ме­талла осуществляется в виде потока мельчайших капель (струйный перенос металла).

На скорость переноса капель металла в дуге действует газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны. При сварке электродом с толстым покрытием стер­жень / электрода (рис. 13) плавится быстрее и торец его оказывается несколько прикрытым «чехольчиком» 3 покрытия 2. Интенсивное газообразо­вание в небольшом объеме «чехоль­чика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.

Основным фактором, влияющим на скорость переноса металла в дуге, является электромагнитное поле. Магнитное поле оказывает сжи­мающее действие и ускоряет образо­вание и сужение шейки капли, а сле­довательно, и отрыв ее от торца элек­трода. Электрическое поле, напряжен­ность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, также ускоряет процесс отрыва капель. При потолочной сварке перенос капель электродного металла в сварной шов обеспечивается в основном действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге.

Капли металла, проходящие черёз дугу, имеют шлаковую оболочку, кото­рая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспе­чивая хорошее качество металла шва.

Доля электродного металла в сос­таве металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла ко­леблется в широких пределах (30...80%), а при автоматической сварке. она составляет 30...40%.

Производительность сварки в-зна­чительной степени зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления ор.

Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла в граммах, расплавленной в течение од­ного часа, отнесенной к одному амперу сварочного тока.

Коэффициент расплавления зави­сит от ряда факторов. При обратной полярности коэффициент расплавле­ния больше, чем при прямой поляр­ности, так как температура анода вы­ше, чем катода. Состав покрытия электрода и его толщина также влия­ют на коэффициент расплавления. Это объясняется, во-первых, значением эффективного потенциала ионизации газов, а во-вторых, изменением тепло­вого баланса дугового промежутка. Коэффициент расплавления при руч­ной дуговой сварке составляет

6,5.. .14,5 г/(А • ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие — электроды с толстым покрытием.

Для оценки скорости сварки пользуются коэффяциентом наплавки ан. Этот коэф­фициент оценивает массу электродного металла, введенного в сварной шов.

Коэффициент. наплавки меньше коэффициента расплавления на вели­чину потерь электродного металла из - за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25...30%, а при автоматической сварке под флю­сом составляют только 2...5% от коли­чества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет потреб­ного количества электродного металла для сварки шва установленного сече­ния и определить скорость сварки шва.

Количество металла (кг), необхо­димое для получения сварного шва, gH = LFp, где L — длина свариваемо­го шва, м; F — площадь поперечного сечения шва, м2; р — плотность элек­тродного металла, кг / м3.

Выражая это же количество ме­талла (кг) через коэффициент наплав­ки, получим g„ = 10~3 a „It, где а„ — коэффициент наплавки, г/ (А • ч); / — сварочный ток, A; t — время горения дуги, ч. Отсюда: время горения ду­ги (ч) t= 10_3 g«/(awI) скорость сварки (м/ч) v = L/t.

Зная gH, можно определить необхо­димое количество электродного ме­талла: g3 = gH (1 + ф), где ф — коэф­фициент потерь металла на угар и разбрызгивание.

Кроме того, потребное количество электродного металла (кг) можно оп­ределить, зная коэффициент расплав­ления a p'.ga = 10 ар It.

Задавшись диаметром и длиной электрода, по g3 вычисляют потреб­ное количество электродов. Диаметр стержня электрода должен соответст­вовать значению сварочного тока, дли­на стандартизована.