Расплавление электрода и перенос капель в ванну

Размеры капель металла, переходящих с электрода в свароч­ную ванну, существенно влияют на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шла­ковой и газовой фаз. В зависимости от защитной среды перенос металла происходит через газовую или шлаковую среду.

Ч ерез газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера - диаметром от 7 мм до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров. Установлено, что независимо от способа сварки и положения шва в пространстве металл всегда пе­реходит с электрода на изделие. При сварке одновременно образу­ются капли различных размеров, но в зависимости от условий свар­ки преобладает тот или иной размер. Можно отметить та­кие главные формы переноса: крупно- и мелкокапельный с короткими замыканиями ду­гового промежутка, капель­ный без коротких замыканий, струйный, а также перенос металла в виде паров.

Динамичность процесса, наличие комплекса дейст­вующих сил весьма затруд­няют изучение различных форм переноса металла. Его исследуют при помощи ско­ростной киносъемки дуги, синхронизованной с записью электрических параметров (I _cв> U _Д ) на осциллографе.

Схема процесса переноса электродного металла дана на рис. 9.24. Механизм переноса в общем случае включает в себя следующие моменты:

· нагрев дугой торца электрода и образование капли диамет­ром d_K;

· появление шейки на стыке жидкого металла с твердым ме­таллом электрода;

· соприкосновение капли с поверхностью сварочной ванны;

· разрыв образованного «мостика».

Если в период существования «мостика» через него протекает ток дуги, то «мостик» нагревается до температуры кипения, затем следует его взрыв и разбрызгивание. Для подавления взрыва и разбрызгивания целесообразно не допускать замыкания дуги кап­лей и сокращать время нахождения капли в столбе дуги.

Сила тяжести Р и электродинамические силы F _эдспособству­ют отрыву капли от торца электрода, а сила поверхностного натя­жения F _п.нудерживает ее на электроде. Электродинамические си­лы F _эдявляются результатом наличия вокруг электрода (при про­текании по нему тока) магнитного силового поля, оказывающего сжимающее действие на электрод - пинч-эффект, в результате ко­торого появляются силы, сжимающие шейку капли:

(9.37)

где I - сварочный ток. Кроме того, вследствие сжатия шейки воз­никают продольные силы. Они направлены от меньшего сечения электрода радиусом r _о= d _ш /2 к большему - радиусом r ₁= d _к /2.

Результирующие электродинамические силы F _эд, направленные вдоль оси электрода в сторону ванны, выражаются формулой

(9.38)

Отсюда следует, что электродинамические силы возрастают с уве­личением тока и уменьшением диаметра электрода.

Капля, отрывающаяся от торца электрода, как правило, откло­няется в сторону, противоположную направлению сварки под дей­ствием сил давления газового потока и реактивных сил, создавае­мых газом, выделяющимся из капли. Это приводит к возникнове­нию потока жидкого металла по оси сварочной ванны, который Движется в хвостовую часть ванны и там разделяется на левый и правый боковые потоки, частично возвращающие металл в сторо­ну дуги и перемешивающие металл сварочной ванны (см. рис. 9.2). Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать. Для измель­чения капель снижают силу поверхностного натяжения (см. рис. 8.16) или отрывают их механически, не допуская укрупнения. На силу отрыва капли влияют поверхностно-активные вещества, вхо­дящие в соприкосновение с жидким металлом.

Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных и щелочноземельных металлов, свободный кислород и др., обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидко­сти и тем самым ослаблять связь поверхностных атомов и молекул жидкости между собой. При этом силы поверхностного натяжения резко уменьшаются. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается. Таким образом, наличие кислорода, образующего оксиды МеО, и других поверхностно-активных веществ, а также увеличение сва­рочного тока понижают поверхностное натяжение капель.

Увеличение сварочного тока значительно влияет и на силы от­рыва капли, так как растут электродинамические силы F _эд, а также увеличиваются сила давления газовых потоков F _г.пи реактивные силы, вызываемые газообразованием в капле и испарением. Сле­довательно, увеличение сварочного тока приводит к росту всех сил, вызывающих отрыв капли, а значит, к измельчению капель и переходу к струйному переносу без коротких замыканий.

При ручной дуговой сварке электродом с толстым покрытием на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный пе­ренос металла с редкими замыканиями дугового промежутка. В этом случае поверхностное натяжение металла капель снижается как за счет наличия поверхностно-активных веществ в шлаке, так и вследствие более высокой температуры капель. Силы отрыва нарас­тают интенсивнее и появляется дополнительная сила F _г.пдавления газового потока. Активно развивающиеся процессы газообразова­ния могут преждевременно дробить каплю на более мелкие капли.

При сварке под флюсом применяются еще более высокие сва­рочные токи. Силы отрыва, особенно электродинамические силы, резко возрастают. Увеличивается воздействие газового потока F _г.пусиливаются процессы газообразования в капле, а также испаре­ния. В результате этого при сварке под флюсом наблюдается мел­кокапельный перенос металла без коротких замыканий, а также перенос в виде паров.

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель не только силы, но и плотности тока, которые возрастают при малых диаметрах электрода. При некотором критическом зна­чении плотности тока капельная форма переноса переходит в струйную. Подобная форма переноса наблюдается при сварке в защитных газах. В.И. Дятлов объясняет переход от капельного пе­реноса к струйному увеличением площади активного пятна столба (см. рис. 9.24), когда активное пятно охватывает боковую поверх­ность капли и увеличиваются сжимающие силы. Тогда конец элек­трода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струй­ный перенос (рис. 9.24, б).

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, полнее взаимодействие с этой средой (растворение газов, процессы легирования элементами из покрытий и флюсов, их окис­ления, испарения легирующих элементов и др.). Однако нельзя за­бывать, что в таком случае время существования капель уменьшает­ся, а потому снижается и полнота протекания реакций.

Например, при увеличении тока в интервале ПО..300 А удель­ная поверхность капель изменяется незначительно, но время суще­ствования капли на торце электрода уменьшается в 1,6 раза. Меж­ду тем с увеличением напряжения (и соответственно длины дуги) в интервале 14...27 В при неизменном токе 200 А уменьшается удельная поверхность капель в 2,2 раза и увеличивается время их существования в 8,3 раза. Таким образом, развитие реакций в кап­лях особенно сильно зависит от длины дуги. Этот вывод подтвер­ждают исследования химического состава наплавленного металла.

Так, легирующие элементы, предварительно введенные в со­став электродной проволоки, частично окисляются в период суще­ствования металла в капельной форме. Особенно велики потери активных металлов (Ti,Mn, Сг). Они определяются коэффициен­том перехода элемента, равного отношению его массовых долей в шве и электроде.

При сварке с участием флюсов во время перехода через газо­вую среду капли частично или полностью покрываются оболочкой расплавленного шлака, в результате чего значительно активизи­руются реакции между ним и жидким металлом. Возможно также перемешивание металла со шлаком - в результате бурного выде­ления газов из капли. По данным А.А. Ерохина, температура ка­пель при сварке электродами из малоуглеродистой стали при токе 185 и 240 А составляет соответственно 2518 и 2613 К.

При сварке алюминия в среде аргона температура капель, по данным А.Я. Ищенко, достигает 2200 К, а при сварке в гелии - значительно меньше, что способствует сохранению легко испа­ряющихся легирующих элементов (Mgи др.) и уменьшению по­ристости.

Совершенствование сварочных процессов направлено на подав­ление негативных явлений при переносе электродного металла в сварочную ванну. Разработаны различные электромеханические методы принудительного отрыва капли от электрода, а также сни­жения ее перегрева путем устранения коротких замыканий дуги че­рез каплю. Для этого применяют питание дуги импульсами тока, при котором частота перехода капель равна частоте импульса. Уве­личивая частоту до 200...300 Гц, получают стабильный мелкока­пельный перенос без коротких замыканий дуги и разбрызгивания.

Перенос присадочного металла при сварке неплавящимся элек­тродом состоит в подаче присадочной проволоки в зону действия дуги со стороны хвостовой части сварочной ванны. Для исключе­ния капельного переноса и шунтирования дуги присадочная про­волока подается по касательной к поверхности ванны. Поэтому проволока разогревается теплом дуги лишь до плавления и стекает в ванну. Этот способ переноса выгодно отличается минимальным перегревом присадочного металла и наиболее высоким коэффици­ентом перехода легирующих элементов.

Перенос присадочного металла при электронно-лучевой сварке также состоит в капельной подаче присадки через луч в сварочную ванну. Кроме того, применяют способ сварки, при котором проис­ходит проплавление свариваемого металла и подкладки, интен­сивное перемешивание в сварочной ванне, вынос ее нижних слоев и на поверхность, т. е. создание усиления шва.