ТЕОРИЯ сварочных процессов

Перенос металла в сварочной дуге

ВИДЫ ПЕРЕНОСА МЕТАЛЛА

В зависимости от условий сварки — силы, плотности, формы кривой тока н т. д. — можно назвать пять основных видов пере­носа электродного металла в дуге с плавящимся электродом (табл. 2.2).

Характер переноса металла оказывает значительное влияние на устойчивость процесса, разбрызгивание металла, формирова­ние шва и интенсивность металлургических процессов в дуге и ванне. В большинстве случаев, особенно при автоматизирован­ных процессах сварки, предпочтителен струйный перенос, обеспе­чивающий лучшее формирование и качество шва.

Таблица 2.2. Основные виды переноса металла при дуговой сварке

Типовые примеры

Крупнокапельный с замыканиями

Дугового промежутка

Мелкокапельный с замыканиями ду­

гового промежутка Мелкокапельный без замыканий дуго­

вого промежутка Струйный

Парами металла

Ручная сварка при /<:102А/мм2 Механизированная сварка в СО2 Сварка под флюсом при у>103 А/мм2 Сварка в инертных газах тонкой

проволокой при у>103А/мм2

При всех видах сварки плавящимися электродами — как дополнение к дру­гим видам переноса

Перенос наблюдают обычно прн помощи скоростной кино­съемки или съемки в рентгеновских лучах синхронно с осцилло - графированием.

Силы в дуге

На расплавленный металл в дуге действуют следующие глав­ные силы: силы тяжести; силы поверхностного натяжения; элект­родинамические силы в жидком проводнике; реактивные силы; электростатические силы; силы давления плазменных потоков н др.

Силы тяжести способствуют переносу металла при сварке в нижнем положении и препятствуют при сварке в потолочном. Они оказывают наибольшее влияние на перенос электродного металла при сварке на малых токах, когда электродинамические силы еще сравнительно невелики.

Силы поверхностного натяжения придают каплям жидкости сфероидальную форму, удерживают капли на «потолке», втягивают капли металла в жидкую сварочную ванну.

Силы поверхностного натяжения создают внутри капли жид­кости радиуса R избыточное давление

!ipniI=2a/R, (2.94)

где а — коэффициент поверхностного натяжения, который равен отношению силы AF, действующей на границу поверхностной пленки жидкости, к длине этой границы А/, т. е.

а=AF/Д/. (2.95)

Значения коэффициента поверхностного натяжения а для различных материалов приведены ниже:

Mg Zn А1 Си Fe Ті Mo W Сталь Свароч - М териал 18-8[3] ний шлак

о, Н/м. 0,65 0,77 0,9 1,15 1,22 1,51 2,25 2,68 1,10/2,50 0,3--0,4
ности тока, например при />20 А/мм, мо­жет наблюдаться так называемый электрока - пиллярный эффект, сопровождающийся по­нижением а и способ­ствующий струйному переносу металла.

Электродинамике - ские силы пинч-эффек - та сильно влияют на перенос металла, осо­бенно при больших то­ках, когда они способ­ствуют появлению

плазменных потоков от мест сужения столба.

Поэтому, например, в слаботочных дугах, где эти силы малы, преобладает крупнокапельный перенос, а в ' сильноточных — струйный. Появлению струйного переноса способствует также перегрев капель, который достаточно велик при сварке, особенно на обратной полярности.

Струйный перенос особенно характерен для газоэлектриче­ской сварки. Он сопровождается образованием конуса жидкого металла на конце электрода. При этом средний размер капель монотонно уменьшается с увеличением тока примерно по гипер­болической кривой. При некотором значении тока, называемом критическим, которое при сварке на обратной полярности ниже, чем на прямой, капельный перенос металла переходит практиче­ски в струйный (рис. 2.44). Охват дугой конца электрода способ­ствует струйному переносу с анода.

Реактивные силы, вызываемые давлением паров, обычно противодействуют начальному обрыву капли. Если реактивные силы имеют взрывной характер, то они могут сильно затруднить переход к струйному переносу.

При сварке на обратной полярности реактивное давление паров меньше, чем на прямой (так как Ua<.UK), н струйный перенос металла возникает при меньших силах тока. В. И. Дят­ловым определена, например, сила реактивного давления паров, действующих на каплю металла при сварке в среде С02 прово­локой Св. 08. Оказалось, что так же, как и сила давлення паров на ванну, она пропорциональна квадрату сварочного тока

F = kl2, (2.96)

где коэффициент Аж (1 ...5) • 10-7 Н/А2— для прямой полярности и обычно А<3-10~8 Н/А2 — для обратной полярности.

Электростатические силы возникают вследствие болы ого градиента потенциала (напряженности поля) в переходных об­
ластях дуги, особенно у катода, где Е может достигать 104... 106 В/мм. В столбе дуги Е ст-СЕ к (в тысячи раз), поэтому соз­дается разность давлений и течение газа от катода (или анода) в столб дуги становится подобным «электрическому ветру» с за­ряженного острия. Разность давлений может быть оценена по формуле, аналогичной формуле (2.91) для магнитного давления

Др = РкаТ-РсТ=[1/(8л)](£*ат-£ст). (2.97)

Давление Др достигает нескольких десятков паскалей. Например, электрическое поле высокой напряженности может деформиро­вать металл ванны, вытягивая его в виде конуса от катода к ано­ду при обратной полярности.

При сварке в среде молекулярных газов (азот, углекислый газ) практически получить струйный перенос металла очень трудно. Это можно объяснить «стягиванием» пятна на поверх­ности капли (см. рис. 2.44, а) и увеличением степени сжатия сварочной дуги из-за охлаждения ее при образовании стержня диссоциации, который в этих газах появляется при сравнительно низких температурах.

Плазменные потоки также могут сильно влиять на перенос металла в дуге. В некоторых случаях, например в Ме-дугах, мощный катодный поток от электрода к изделию вызывает отра­женный анодный поток, который, как отмечалось выше, может концентрически охватывать катодную струю. Такой анодный по­ток затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли металла

в сторону или даже подъем ее над уровнем торца электрода. Это

особенно заметно, если катодный поток дуги не охватывает

конец электрода (как на рис. 2.44, а), а стягивается в пятне на его конце, как, например, при сварке в СО2.

ИМПУЛЬСНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕНОСОМ МЕТАЛЛА В ДУГЕ

Для того чтобы сделать перенос металла мелкокапельным

или струйным, обычно требуются большие токи, особенно при

сварке на прямой полярности. Электро­динамические силы пропорциональны квадрату тока, поэтому, подавая перио­дически кратковременные импульсы уве­личенного тока /д»ід (рис. 2.45), можно обеспечить мелкокапельный перенос ме­талла порциями с частотой воздействия импульсов. При этом в несколько раз уменьшается нижний допустимый предел сварочного тока. Принудительный на­правленный перенос металла упрощает технику наложения швов, что особенно применимо для полуавтоматической свар­ки в вертикальном и потолочном поло­жениях. Импульсное управление перено­сом металла позволяет влиять также
и на металлургию процесса, регулируя выгорание отдельных элементов.