Основные показатели переноса электродного металла

При плавлении на торце электрода образуется капля жидкого металла. Большая удельная поверхность и высокие температуры капель при дуговой сварке плавлением способствуют интенсивному взаимодействию металла с окружающей средой. Поэтому характер переноса электродного металла оказывает значительное влияние на кинетику процессов взаимодействия металла со шлаком и газами.

Основными показателями, характеризующими процесс переноса электродного металла через дуговой промежуток, являются тк — масса капли на торце электрода перед переходом, т0 —- масса остающейся на электроде части капли, р — масса переходящей части капли, т — время между переходом отдельных капель (время

  — соответственно доли оставшейся на торце электрода и

оторвавшейся части капли.

Полнота протекания реакций взаимодействия металла капли с окружающей средой зависит от удельной поверхности капли (отношения площади поверхности капли к ее массе) и времени взаимодействия. При установившемся процессе сварки масса капли в момент перед очередным переходом равна;

Средняя масса капли жидкого металла тср, существующей на торце электрода в течение времени т, определяется выражением

Данные о характере плавления и переноса электродного металла при сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных газов получают с помощью скоростной киносъемки, а при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом —  с помощью скоростной рентгеновской киносъемки.

Силы, действующие на каплю. Характер переноса электродного металла зависит от соотношения сил, действующих на каплю металла на торце электрода. Основные из них: сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, электростатическая сила, сила реактивного давления паров и нейтрализовавшихся на катоде ионов, аэродинамическая сила. Величины отдельных сил и направление их равнодействующей зависят от режима сварки, полярности тока, состава электродного металла и газовой среды, состояния поверхности проволоки и ее диаметра.

Общепризнано, что сила тяжести оказывает существенное влияние на перенос металла лишь при сварке на малых токах. Роль силы тяжести в переносе электродного металла зависит от положения электрода в пространстве. При сварке в нижнем положении она способствует переходу капли в ванну, а в потолочном положении —  удержанию ее на торце электрода.

Сила поверхностного натяжения удерживает каплю на торце электрода. Она определяется величиной поверхностного (межфазного) натяжения на границе металл—-газ или на границе металл— шлак и геометрическими параметрами капли:

где а —  коэффициент поверхностного натяжения, эрг/см2; г0 — радиус электрода, см; R — радиус кривизны поверхности капли, см.

По мере увеличения размеров капли сила поверхностного натяжения уменьшается.

Величина поверхностного натяжения жидкого металла а оказывает существенное влияние на характер переноса электродного металла. Увеличение поверхностного натяжения, при прочих равных условиях, способствует увеличению размеров капель, образующихся на торце электрода и переносимых через дуговой промежуток.

Величина поверхностного натяжения жидкого металла зависит от его химического состава и температуры. Наличие небольших количеств поверхностно-активных веществ может привести к значительному снижению поверхностного натяжения. Наибольшей поверхностной активностью в жидкой стали обладают кислород и сера. Поэтому различные технологические факторы, оказывающие влияние на содержание этих примесей в металле (степень раскисленности металла, состав шлака и др ), оказывают воздействие на характер переноса металла. Увеличение температуры капель приводит к снижению поверхностного натяжения сплавов на основе железа и может способствовать уменьшению размера переносимых капель.

Значительное влияние на перенос металла оказывает электромагнитная сила. Она обусловлена взаимодействием проводника с током и магнитного поля, создаваемого этим током. При протекании тока через проводник, каковыми являются капля жидкого металла и столб дуги, возникают силы, которые стремятся деформировать проводник в радиальном направлении. Величина силы сжатия пропорциональна квадрату силы тока. Если сечение проводника переменное (в случае сварки плавящимся электродом, включающее электрод—каплю—активное пятно—-столб дуги), то возникает осевая составляющая электромагнитной силы, направленная от меньшего сечения к большему. Если размеры активного пятна меньше, чем диаметр электрода (шейки), то осевая сила будет препятствовать переносу, и наоборот (рис. 2-25).

Величина осевой силы определяется формулой (В. И. Дятлов)

, —-

радиусы столба дуги и электрода, см.

Электростатическая сила Рэ равна произведению индуцированного поверхностного заряда и напряженности поля, создаваемой на поверхности электрода объемным зарядом.

Эта сила приложена перпендикулярно поверхности активного пятна и направлена в сторону столба дуги. Действие электростатической силы частично компенсируется силой ионного давления. Однако, как показывают расчеты, нескомпенсированная электростатическая сила по величине не уступает другим силам, действующим на каплю.

Одной из важных сил, оказывающих влияние на характер переноса металла, является реактивное давление паров. Испарение металла с поверхности капли и химическое взаимодействие жидкого металла со шлаком или газовой фазой, вызывающее образование и выделение газа, приводят к возникновению реактивных сил. Испарение металла происходит главным образом в области активных пятен. Считают, что равнодействующая реактивных сил приложена к центру активного пятна. Перемещение пятен вызывает изменение положения места приложения реактивных сил и значительную подвижность капель.

Величина реактивных сил Рп (дин/см2) зависит от размеров активных пятен, плотности тока в них, от теплофизических свойств материала электрода и может быть приближенно рассчитана по уравнению (В. И. Дятлов)

где£—коэффициент пропорциональности, равный 3,02-Ю-3 А 2 Uъ — эффективное падение напряжения у электрода, В; gn-— скрытая теплота испарения, Вт-с/г; ta#n — плотность в активном пятне, А/см2; vK  — удельный объем пара металла при температуре кипения, см3/г.

Поскольку плотность тока в катодном пятне значительно выше, чем в анодном, влияние реактивного давления в большей мере проявляется на прямой полярности. Сжатие дуги приводит к увеличению плотности тока в пятнах, что вызывает повышение реактивного давления паров.

В металлах с высоким давлением паров (магний, цинк, кадмий) отталкивание капель реактивными силами наблюдается на обеих полярностях, а в металлах с низким давлением паров — главным образом на прямой полярности.

При сварке на прямой полярности реактивное давление ионов, нейтрализующихся на поверхности катода, может оказывать некоторое влияние на характер переноса металла.

Роль аэродинамической силы проявляется в тех случаях, когда возникают мощные плазменные (газовые) потоки. Величина аэродинамической силы определяется аэродинамическим торможением капли в газовом потоке и магнито-кинетическими силами, обусловленными несбалансированностью гидростатического давления внутри капли и на поверхности раздела жидкость—газ. Сила аэродинамического торможения пропорциональна плотности газа, его скорости и эффективной площади сечения капли, спроектированной на направление газового потока.

В зависимости от соотношения сил, действующих на каплю, характер переноса электродного металла может существенно изменяться. Рассмотрим особенности переноса электродного металла при различных способах дуговой сварки.

Сварка покрытыми электродами. При сварке покрытыми электродами наблюдается несколько типов переноса: крупнокапельный, мелкокапельный, туманообразный. Тип переноса зависит от состава и толщины покрытия, режима сварки, рода тока и полярности.

Для электродов с фтористо-кальциевым покрытием характерен крупнокапельный перенос металла в широком диапазоне режимов сварки. Такой характер переноса обусловлен, во-первых, высоким поверхностным натяжением металла на границе со шлаком, поскольку и шлак, и металл хорошо раскислены, и, во-вторых, действием электромагнитной силы. В атмосфере дуги при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием содержится около 30 об. % С02. Диссоциация С02 вызывает сжатие столба дуги и активных пятен. В связи с этим осевая составляющая электромагнитной силы препятствует отрыву капель. Увеличение силы тока приводит к уменьшению как времени между переходами отдельных капель т (рис. 2-26), так и усредненного времени взаимодействия металла и шлака тк.

При малом напряжении (короткая дуга) перенос металла может осуществляться путем коротких замыканий, поскольку свободный рост капель затруднен- В момент коротких замыканий происходит перетекание металла с торца электрода в ванну. С удлинением дуги масса переносимых капель увеличивается, так как создаются условия для свободного роста капли на торце электрода. Дальнейшее удлинение дуги приводит к увеличению парциального давления кислорода за счет подсоса воздуха, что вызывает окисление металла и снижение его поверхностного натяжения. Эти обстоятельства приводят к уменьшению тк, рях. Изменение состава фтористо-кальциевого покрытия не оказывает существенного влияния на характер переноса.

Для сварки электродами с рудно-кислым и рутиловым покрытиями характерен мелкокапельный перенос. Малый размер капель обусловлен сравнительно низким межфазным натяжением на границе металла со шлаком, поскольку шлак и металл содержат значительное количество кислорода. Размер капель при плавлении электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями существенно зависит от силы тока. При очень малых плотностях тока металл переносится сравнительно крупными каплями. При увеличении плотности тока масса переносимых капель резко уменьшается. Уменьшается также время (тк) взаимодействия капли с окружающей средой (шлаком, газовой фазой). Этому способствуют более высокая температура капель и сравнительно низкое межфазное натяжение на границе металла со шлаком. При высоких плотностях тока наблюдается чрезвычайно мелкокапельный (так называемый туманообразный) перенос металла (рис. 2-27).

Изменение напряжения дуги в практически целесообразных диапазонах не оказывает существенного влияния на перенос металла у электродов с рутиловым и рудно-кислым покрытиями. По характеру влияния коэффициента массы (толщины) покрытия электроды можно разбить на две группы. У рудно-кислых и рутиловых электродов с увеличением толщины покрытия наблюдается повышение содержания кислорода в каплях и уменьшение их размеров. Уменьшению размеров капель способствуют также аэродинамические силы. При увеличении толщины покрытия увеличиваются размеры втулочки из покрытия и поток газов приобретает более направленный характер. У фтористо-кальциевых электродов содержание кислорода в каплях с увеличением толщины покрытия снижается, что способствует увеличению размеров

капель. Таким образом, влияние толщины покрытия определяется в основном содержанием кислорода в каплях, которое оказывает большое влияние на силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю на торце электрода.

Сварка под флюсом. При сварке под флюсом наблюдается капельный перенос металла. Перенос капель часто происходит в потоке шлака без непо-

средственного контакта со столбом дуги. Капли могут также лететь внутри флюсового пузыря. Существенное влияние на характер переноса оказывают режимы сварки и полярность тока.

При сварке на обратной полярности с увеличением силы тока уменьшается масса переходящей части капли Рср и возрастает число переходящих капель Л7. Время взаимодействия капель с окружающей средой тср уменьшается. На больших токах дуговой промежуток мал и подвижная сварочная ванна захватывает капли металла на торце электрода, не давая им возможности достигнуть больших размеров. При сварке на прямой полярности масса переходящей части капель и число переходов с ростом силы тока изменяются мало. Объясняется это увеличением плотности тока в активном пятне и возрастанием действия сил реактивного давления паров, которые способствуют удержанию капли на торце электрода (рис. 2-28). Под действием этих сил капли на торце сильно деформируются и вытесняются иногда на его боковую поверхность.

С увеличением напряжения дуги при сварке на прямой и обратной полярности возрастает масса переходящей части капли Рср и снижается число переходящих капель N (рис. 2-29, а). Время между переходами т также растет (рис. 2-29, б). При удлинении дуги создаются более благоприятные условия для свободного роста капли; вероятность коротких замыканий и непосредственного перетекания металла в ванну снижается. Установлено, что протекание реакций между металлом и флюсом зависит от времени их взаимодействия на торце электрода.

Сварка в защитных газах. Наиболее полно особенности переноса металла изучены при сварке в аргоне. Для этого способа

сварки наиболее характерным является капельный перенос металла с монотонным снижением размеров капель по мере возрастания силы тока. При достижении определенного значения тока, называемого критическим, размер капель резко уменьшается и перенос становится струйным (рис. 2-30).

Изменение характера переноса связано с изменением соотношения сил, действующих на каплю. Увеличение силы тока приводит к возрастанию температуры жидкого металла на торце электрода. При достижении критического тока капли металла нагреваются до температуры кипения. Возрастание температуры жидкого металла приводит к значительному уменьшению силы поверхностного натяжения и увеличению испарения электродного металла. Повышение парциального давления паров металла в дуге способствует увеличению сечения столба дуги и размеров активных пятен. Благодаря увеличению размеров активного пятна на электроде осевая составляющая электромагнитной силы меняет

направление и способствует отрыву капель. Величина этой силы с ростом тока возрастает. Уменьшение силы поверхностного натяжения и изменения направления и величины осевой составляющей электромагнитной силы являются основной причиной изменения характера переноса при сварке в аргоне. Большое влияние на перенос оказывают и плазменные потоки, которые возникают в мощных дугах и направлены вдоль оси дуги.

Величина критического тока зависит от вылета и диаметра электрода: чем меньше диаметр электрода и больше вылет, тем меньше критический ток.

Если металл имеет высокую теплопроводность (алюминий, медь), размер капель уменьшается без изменения геометрии переноса. Если теплопроводность металла низкая, конец электрода приобретает коническую форму и металл стекает в виде струи, так как электромагнитные силы вынуждают жидкость течь вниз.

При очень большой величине и плотности тока наблюдается струйно-вращательный перенос металла. Его возникновение связывают с реактивным действием плазменного потока на электрод. В результате перегрева электрод размягчается по длине вылета и сила реакции струи изгибает его. При изгибе электрода изменяется направление струи и действие реактивной силы, что приводит к новому смещению электрода.

При аргоно-дуговой сварке швов в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях практически невозможно добиться направленного переноса металла. Зачастую при сварке в диапазоне докритических токов образовавшаяся на электроде крупная капля (при обрыве дуги либо при коротком замыкании) отделяется и летит вниз, не попадая в ванночку. В последние годы был разработан способ активного воздействия на процессы плавления и переноса электродного металла —- так называемый способ импульсно-дуговой сварки.

Сущность его заключается в том, что на дугу постоянного тока накладываются мощные кратковременные импульсы тока, обеспечивающие формирование капли на торце электрода и перенос ее на изделие (рис. 2-31). В промежутках между импульсами электрод плавится при небольшой силе сварочного тока. При наложении импульса тока большой величины резко возрастают электродинамические силы. Скачкообразно возрастающее радиальное усилие способствует почти мгновенному образованию шейки, а быстрое увеличение осевого усилия ведет к интенсивному перемещению капли вдоль оси электрода в направлении ванночки жидкого металла с последующим отрывом ее и переходом в ванночку. Принудительный перенос может происходить при сварке во всех пространственных положениях.

Изменение состава защитного газа может привести к существенному изменению характера переноса. Перенос металла при сварке в углекислом газе совершенно отличен от переноса при сварке в аргоне. Он характерен переходом крупных капель. В зависимости от режимов сварки переход капель осуществляется с короткими замыканиями или без них.

Основной причиной такого переноса является сжатие столба дуги и активных пятен, вызванное диссоциацией углекислого газа. При этом возрастает действие отталкивающих сил реактивного давления паров и осевой составляющей электромагнитной силы, способствующих укрупнению капли и увеличению разбрызгивания металла. Потери металла от разбрызгивания зависят главным образом от режима сварки, диаметра проволоки и характеристик источника питания. С повышением напряжения дуги разбрызгивание повышается.

Большое влияние на величину разбрызгивания металла оказывают сила сварочного тока и диаметр проволоки (рис. 2-32). На малых токах (область А на рис. 2-32) перенос металла осуществляется с короткими замыканиями. При этом потери металла определяются в основном динамическими свойствами источника питания — величиной тока короткого замыкания и темпом его нарастания. В диапазоне средних токов (область Б) часть капель переходит в ванну при коротких замыканиях дуги, а часть — без коротких замыканий. В этом диапазоне наблюдается максимум разбрызгивания за счет выброса крупных капель. В диапазоне больших токов (область В) перенос электродного металла происходит без коротких замыканий. Разбрызгивание металла при сварке на больших токах невелико и происходит в основном за счет выброса мелких брызг, образующихся при перегорании шейки между каплей и электродом и при кипении ванны.

С целью уменьшения разбрызгивания при сварке проволокой малого диаметра процесс сварки осуществляют с короткими замыканиями, используя источники с оптимальными динамическими свойствами.

При сварке проволокой большого диаметра минимального разбрызгивания добиваются путем подбора оптимальных режимов сварки, изменяя величину тока и напряжения.

Сварка порошковой проволокой

Общие закономерности переноса металла, установленные при сварке покрытыми электродами, справедливы и для порошковых проволок с соответствующими типами сердечников. Более высокие плотности тока, конструкции проволок и условия контактирования с атмосферой вносят некоторые количественные коррективы.

Наиболее полно изучен перенос металла при сварке проволоками с сердечником рутилового типа. С увеличением силы тока несколько уменьшается средняя масса переносимых капель Рср, растет число капель N и снижается время их существования тср. Малое влияние тока на массу капель связано, по-видимому, с действием реактивных сил, вызванных сжатием столба дуги и активных пятен вследствие диссоциации водорода и паров воды. Источником этих газов являются составляющие сердечника порошковой проволоки  —  органические вещества и кристаллизационная влага некоторых минералов.

Увеличение напряжения дуги вследствие ее удлинения приводит к значительному повышению парциального давления кислорода в атмосфере дуги из-за подсоса воздуха. При этом увеличивается окисление капель, снижается поверхностное натяжение металла, а следовательно, уменьшаются масса капель и время их существования. Подобный эффект достигается и при введении в сердечник сильных окислителей. Увеличение вылета проволоки приводит к преждевременному выгоранию органических составляющих сердечников и окислению капель, что также способствует их измельчению.