0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Перенос металла через дугу

Pereosnastka.ru

Обработка дерева и металла

Непосредственным наблюдением не удается уловить процесс перехода расплавленного металла с электрода в ванну. Применение более мощных средств исследования, в том числе скоростной киносъемки (1000—2000 кадров в секунду) показало, что основная часть электродного металла переходит на изделие в форме капель, причем наблюдаются две формы переноса: крупнокапельная и мелкокапельная. При крупнокапельном переносе на конце электрода образуется капля жидкого металла, которая быстро увеличивается, затем быстро движется вперед, вытягиваясь по направлению к изделию. При этом происходит или полное замыкание дугового промежутка мостиком жидкого металла, или заметное его укорочение. Затем мостик жидкого металла разрывается так, что большая часть металла остается на изделии, меньшая — на электроде, и дуга приобретает нормальную длину. Процесс повторяется с довольно правильной периодичностью и сопровождается переносом на изделие 20—50 приблизительно одинакового размера капель в секунду.

Мелкокапельный перенос осуществляется потоком мелких капель жидкого металла, быстро передвигающихся от электрода к изделию. Крупнокапельный перенос наблюдается преимущественно при работе на небольших токах электродами с тонкой обмазкой. С увеличением тока и количества обмазки на электроде процесс приближается к мелкокапельному. Перенос металла происходит всегда от стержневого электрода малых размеров к изделию больших размеров; направление переноса не зависит от рода тока и полярности постоянного тока.

Наплавка металла на изделие возможна как в нижнем положении, когда поверхность изделия горизонтальна и перенос металла с электрода на изделие происходит сверху вниз в направлении действия силы тяжести, так и в вертикальном или в потолочном положении (рис. 2). При потолочном положении сварки расплавленный металл должен переноситься с электрода в ванну снизу вверх против направления действия силы тяжести. Возможность вертикальной и в особенности потолочной сварки доказывает, что процесс переноса металла в сварочной дуге не является простым падением капель под действием силы тяжести. Перенос металла производится совместным действием многих факторов, однако общая картина настолько сложна, что до настоящего времени не имеется достаточно полного теоретического объяснения.

Наряду с переносом более или менее крупных капель происходит также перенос очень мелко раздробленного расплавленного жидкого металла. Некоторое значение имеет также конденсация паров металла из столба дуги на поверхности ванны. Расплавленный металл электрода, попадая в ванну, перемешивается с расплавленным основным металлом, образуя совместно с ним металл шва. Дутье газов дуги оказывает механическое давление на жидкий металл и отбрасывает его со дна на поверхность (рис. 3).

Отбрасывание жидкого металла происходит отдельными пульсациями, и металл откладывается отдельными порциями, что придает поверхности наплавленного металла известную неровность или чешуйчатость. Электроды с тонкой обмазкой дают чешуйки более крупные и грубые; электроды с качественной обмазкой дают более тонкую, иногда почти незаметную чешуйку и более гладкую поверхность металла.

Перенос металла в дуге и требования к динамическим свойствам источников питания

Динамические характеристики системы дуга— источник питания обусловлены механизмом первоначального возбуждения и в последующем, при горении дуги, — характером переноса электродного металла в сварочную ванну. Капли расплавленного металла периодически замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги (рис. 8-8): происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, далее к рабочему режиму — горению дуги (образование и рост капли) — тх, потом к короткому замыканию, которое происходит при контакте между каплей и ванной — т2. При этом ток резко увеличивается до /тах, что приводит к сжатию капли и перегоранию мостика между каплей и электродом. В дальнейшем напряжение почти мгновенно возрастает и дуга вновь возбуждается, после чего процесс периодически повторяется.

Смена режимов происходит в течение долей секунд. Поэтому источник питания должен обладать высокими динамическими свойствами, обеспечивающими достаточно большую скорость повышения напряжения при разрыве цепи и нужную скорость нарастания тока. От динамических свойств источника зависит количество брызг при сварке.

При малой скорости нарастания тока в ванну поступает нерасплавленная проволока. Она сравнительно медленно разогревается на большом участке длины, затем разрушается. Если ток возрастает очень быстро, мостик между ванной и каплей электродного металла быстро перегревается и разрушается со взрывом. Часть расплавленного металла разбрызгивается, не попадая в шов. С увеличением плотности тока уменьшаются размеры капель вплоть до струйного стекания металла в сварочную ванну.

Величину ТоКа, при Которой происходит Stot переход, Для Данной проволоки и среды называют критическим током.

Для управления процессом переноса металла на основной режим сварки иногда накладывают электрические импульсы, параметры которых (ток, напряжение, мощность) изменяются во времени по определенной программе. В этом случае параметры режима выбирают таким образом, что теплота, выделяемая дугой, питаемой от основного источника в промежутке между импульсами, недостаточна для плавления электрода при заданной скорости подачи. Вследствие этого длина дугового промежутка уменьшается. Во время действия импульса тока образуется капля металла и возрастает величина электродинамической силы, сжимающей перешеек капли у проволоки и отбрасывающей каплю строго в направлении оси электрода. Скорость плавления электрода во время импульса больше, чем скорость его подачи, вследствие чего длина дуги восстанавливается.

Условием стабильного течения процесса является равенство скорости подачи и общей скорости плавления электрода за один цикл (импульс + пауза). Поэтому при импульсном источнике питания мелкокапельный перенос получается при меньших плотностях тока, чем для обычного процесса. При этом параметры импульсов, частота которых находится в пределах 90—100 Гц, обеспечивают перенос одной капли за импульс.

Общие сведения об источниках питания и их технологических свойствах. Конструктивные и электрические особенности источников питания описаны в специальной литературе, посвященной электросварочному оборудованию. В настоящей книге изложены лишь общие сведения, необходимые для понимания технологических вопросов сварки плавлением.

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного и постоянного тока. К источникам переменного тока относятся сварочные трансформаторы и генераторы переменного тока. Сварочные генераторы и выпрямители, а также импульсные источники составляют группу источников питания постоянным током. Источники питания могут быть однопостовыми, питающими один сварочный пост, и многопостовыми, питающими одновременно несколько сварочных постов.

Из общего упрощенного уравнения внешней характеристики источника питания

— напряжение холостого хода; гэ — эквивалентное сопротивление источника или схемы, следует, что

На основе этих уравнений можно осуществлять настройку режима горения дуги. Изменяя напряжение холостого хода UXmX9 можно получить различные характеристики (рис. 8-9, а), соответствующие ряду значений тока /д1, /д2, /д3 и т. д. при неизменном напряжении (/д1, либо ряд напряжений £/д1, £/д2, £/д3 и т. д. при неизменном токе /д1. Такая система настройки приводит к тому, что приходится либо чрезмерно снижать напряжение холостого хода, соответствующее малым токам, либо излишне его повышать при настройке на большие. Это неудобно в эксплуатации и снижает экономические показатели источника.

Изменяя гэ при неизменном £/х. х, можно получить семейство кривых, показанных на рис. 8-9, б. Такие источники более удобны, но вследствие того, что напряжение холостого хода выбирают исходя из среднего режима работы, устойчивость дуги (особенно переменного тока) при сварке на малых токах будет недостаточной.

Наиболее эффективным является комбинированный плавно-ступенчатый метод настройки, при котором диапазон регулирования разбивается на две-три ступени настраиваемым изменением Uxx. В пределах ступени настройку производят за счет изменения гэ (рис. 8-9, в).

Перенос металла через дугу

§ 11. Перенос электродного металла на изделие

При сварке плавящимся электродом на его конце под действием высокой температуры происходит плавление металла, образование капли, отрыв и перенос ее на изделие. В зависимости от размера и скорости образования капель можно различать капельный и струйный перенос (рис. 16). При ручной сварке в виде капель переносится до 95% электродного металла: остальные 5% — брызги и пары, значительная часть которых осаждается на изделии. Диаметр капель и скорость их образования зависят от вида дуговой сварки, диаметра электрода, силы тока, длины дуги и других условий.


Рис. 16. Процесс переноса электродного металла на изделие при короткой дуге: а — крупнокапельный, б — струйный; I — IV — последовательные этапы процесса, dk — диаметр капли, dэ — диаметр электрода

Перенос металла каплями без замыкания ими дугового промежутка происходит при сварке штучными покрытыми электродами. В этом случае большинство капель заключено в оболочку из шлака, образовавшегося от плавления покрытия. Так же переносится металл электрода в шов при сварке порошковой проволокой и в защитном газе.

При струйном переносе образуются мелкие капли, которые следуют одна за другой в виде непрерывной цепочки (струи). Струйный перенос электродного металла возникает при сварке проволокой малого диаметра с большой плотностью тока. Например, при полуавтоматической сварке в аргоне проволокой диаметром 1,6 мм струйный перенос металла осуществляется при критическом токе 300 А. При сварке на токах ниже критического наблюдается капельный перенос металла. Обычно струйный перенос электродного металла приводит к меньшему выгоранию легирующих примесей в сварочной проволоке и к повышенной чистоте металла капель и шва. Скорость расплавления сварочной проволоки при этом увеличивается. Поэтому струйный перенос электродного металла имеет преимущества перед капельным. При сварке штучными электродами струйный перенос электродного металла невозможен ввиду низкой плотности тока на электроде (10 — 20 А/мм 2 ).

Производительность расплавления электродов. Производительностью расплавления электрода называют массу расплавленного дугой электродного металла в единицу времени. Производительность расплавления электрода Пp зависит от количества тепла, сообщенного дугой электроду. Производительность расплавления электродов при сварке определяется по формуле ПppI г/ч, где аαp — коэффициент расплавления электрода, представляющий собой массу расплавленного электродного металла, приходящуюся на один ампер силы тока в течение часа горения дуги и имеет размерность г/А⋅ч. Обычно αp=7÷22 г/А⋅ч в зависимости от марки покрытия, плотности тока, рода и полярности тока и др.

Производительность наплавки электродов. Расплавленный металл электрода неполностью переносится в шов, часть его теряется на разбрызгивание, испарение и угар в процессе горения дуги.

Производительность переноса электродного металла в шов, или производительность наплавки Пн, определяется по формуле ПннI г/ч. Как правило, коэффициент наплавки ар меньше коэффициента расплавления αp на величину потерь электродного металла. Обычно αн αp.

Коэффициент потерь электродного металла

ψ=ap-aн·100%
ap

и составляет 3÷20%. Менее 3% потерь электродного металла обычно не бывает, а потери более 20% делают сварку электродами при данных условиях нерациональной.

Величины коэффициентов расплавления и наплавки используются для нормирования расхода электродов и времени сварки.

Пример. Определить производительность наплавки при сварке штучными электродами диаметром 4 мм при токе P=160 А, если коэффициент наплавки данных электродов αн=10 г/А⋅ч, ПннP=10⋅160=1600 г/ч=1,6 кг/ч.

1. Что называется сварочной дугой?

2. Какие существуют основные виды сварочных дуг?

3. При каких условиях горит дуга?

4. Объясните строение сварочной дуги.

5. В чем выражаются особенности сварочной дуги по сравнению с другими формами электрических разрядов?

6. Какие существуют способы зажигания дуги?

7. В чем преимущества струйного переноса электродного металла перед капельным?

8. Как подсчитывают производительность расплавления и наплавки электродов?

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 уменьшается. 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 1 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.

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. Меньшие значения коэффициента расплавления имеют электроды с тонким покрытием, а большие — электроды с толстым покрытием.

Для оценки скорости сварки пользуются коэффициентом наплавки. 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.

Влияние силы сварочного тока на перенос металла

Увеличение плотности тока и длины (напряжения) дуги ведет к изменению характера расплавления и переноса электродного металла, перехода от сварки короткой дугой с короткими замыканиями к процессу с редкими короткими замыканиями или без них. В сварочную ванну электродный металл переносится нерегулярно, отдельными крупными каплями различного размера, хорошо заметными невооруженным глазом. При этом ухудшаются технологические свойства дуги, затрудняется сварка в потолочном положении, а потери электродного металла на угар и разбрызгивание возрастают до 15%.

Для улучшения технологических свойств дуги применяют периодическое изменение ее мгновенной мощности — импульсно-дуговая сварка. Теплота, выделяемая основной дугой, недостаточна для плавления электродной проволоки со скоростью, равной скорости ее подачи. Вследствие этого длина дугового промежутка уменьшается. Под действием импульса тока происходит ускоренное расплавление электрода, обеспечивающее формирование капли на его конце. Резкое увеличение электродинамических сил сужает шейку капли и сбрасывает ее в направлении сварочной ванны в любом пространственном положении.

Можно использовать одиночные импульсы или группу импульсов с одинаковыми и различными параметрами. В последнем случае первый или первые импульсы ускоряют расплавление электрода, а последующие сбрасывают каплю электродного металла в сварочную ванну. Устойчивость процесса зависит от соотношения основных параметров (величины и длительности импульсов и пауз). Соответствующим подбором тока основной дуги и импульса можно повысить скорость расплавления электродной проволоки, изменить форму и размеры шва, а также уменьшить нижний предел сварочного тока, обеспечивающий устойчивое горение дуги.

При достаточно высоких плотностях постоянного по величине (без импульсов или с импульсами) сварочного тока обратной полярности и при горении дуги в инертных газах может наблюдаться очень мелкокапельный перенос электродного металла. Название «струйный» он получил потому, что при его наблюдении невооруженным глазом создается впечатление, что расплавленный металл стекает в сварочную ванну с торца электрода непрерывной струей. Изменение характера переноса электродного металла с капельного на струйный происходит при увеличении силы сварочного тока до «критического» для данного диаметра электрода.

Величина критического тока уменьшается при активировании электрода (нанесении на его поверхность тем или иным способом некоторых легко ионизирующих веществ), увеличении вылета электрода. Изменение состава защитного газа также влияет на величину критического тока. Например, добавка в аргон до 5% кислорода снижает значение критического тока. При сварке в углекислом газе без применения специальных мер получить струйный перенос электродного металла невозможно. Он не получен и при использовании тока прямой полярности.

При переходе к струйному переносу поток газов и металла от электрода в сторону сварочной ванны резко интенсифицируется благодаря сжимающему действию электромагнитных сил. В результате под дугой уменьшается прослойка жидкого металла, в сварочной ванне появляется местное углубление. Повышается теплопередача к основному металлу, и шов приобретает специфическую форму с повышенной глубиной проплавления по его оси. При струйном переносе дуга очень стабильна — колебаний сварочного тока и напряжений не наблюдается. Сварка возможна во всех пространственных положениях.

Перенос электродного металла в сварочную ванну

Сообщение об ошибке

Характер переноса электродного металла в сварочную ванну существенно влияет на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз, а также на устойчивость самого процесса сварки. В зависимости от типа сварочной ванны наблюдается перенос электродного металла через газовую или шлаковую среду. Механизм переноса в обоих случаях имеет свои особенности.

Через газовую среду электродный металл переносится в вид капель разного размера – диаметром от 6 – 7 мм до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров. Установлено, что независимо от способа сварки и положения в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие.

В процессе сварки одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий преобладает тот или иной размер. Можно отметить такие главные формы переноса:

  • крупнокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка,
  • 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. Исследуется последний при помощи скоростной киносъемки дуги. Схематизируя процесс крупнокапельного переноса электродного металла, можно считать, что его механизм в общем случае включает следующие моменты (рис. 1):

  • а, б – образование капли на торце электрода;
  • в – появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода;
  • г – замыкание каплей дугового промежутка;
  • д – разрыв образованного мостика и возникновение дуги.

В период формирования капли на нее действует несколько сил способствующих или препятствующих ее отрыву от торца электрода:

  • сила тяжести Р,
  • злектродинамические силы Nэд,
  • сила поверх ностного натяжения Nп.н.

Сила тяжести Р способствует отрыву капель при сварки в нижнем положении и противодействует отрыву при потолочно сварке.

Электродинамические силы Nэд являются результатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного силового поля, оказывающего сжимающее действие на электрод (пинч-эффект). Возникают силы Nэд в результате одновременного действия таких сил:

1) усилий сжатия Nсж величина которых зависит от тока:

где I сварочный ток А.

Силы Nсж направлены перпендикулярно к оси электрода, но по закону Паскаля одновременно действуют такие же силы, направленные вдоль оси;

Рис. 1. Схема образования капли и переноса ее в сварочную ванну

2) дополнительной продольной силы Nдоп возникающей одновременно с образованием шейки и направленной от меньшего сечения капли, имеющего радиус r0, к большему с радиусом r1.

Результирующая электродинамическая сила Nэд направленная вдоль оси электрода в сторону ванны,

При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряжение падает, а ток резко возрастает, сила Nэд также интенсивно увеличивается, но оказывается направленной от центра мостика вверх и вниз. Действующая вниз сила Nэд будет больше силы N»эд, направленной вверх, так как поверхность ванны значительно больше, чем поверхность электрода, а значит,

Поэтому электродинамическая сила Nэд действует в направлении отрыва капли. Она деформирует каплю, вытягивает ее и заставляет перемещаться вдоль оси дуги в сварочную ванну. Особенно значительна роль этой силы при повышенных токах.

Сила поверхностного натяжения Nп.н. в процессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового промежутка поверхностное натяжение металла ванны втягивает каплю и тем способствует отрыву ее от торца.

В условиях сварки толстопокрытыми электродами (рис. 2.) к главным силам, действующим на каплю, добавляется сила Nг.п. давления газового потока и сила реакции газов Nр.г., выделяющихся из капли. При этом плавление обмазки несколько отстает от плавления стержня и на торце электрода появляется своеобразная «трубка» или «козырек». Выделяющиеся газы (СО2, Н2, СО, О2 и др.) нагреваются, расширяются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне. Сила Nг.п. давления газового потока, стремящаяся оторвать каплю от электрода, является вместе с тем одной из причин образования кратера в сварочной ванне. Так как газовый поток симметричен относительно столба дуги, капля формируется в центре торцевой поверхности электрода.

Рис. 2. Схема действия сил на формирующуюся каплю при сварки толстопокрытыми электродами

Рис. 3. Схема действия сил на формирующуюся каплю при автоматической сварке под флюсом

Сила Nр.г. реакции газов выделяющихся из капли, связана с развитием процессов газообразования в самой капле. Установлено,что при плавлении электрода выделяется в среднем около 10 см 3 газа на 1 см 3 жидкого металла.

При автоматической сварке под флюсом на каплю действуют те же силы, но несколько меняется направление и величина некоторых из них (рис. 3). Вследствие того, столб дуги обычно наклонен, результирующая электродинамическая сила Nэд направлена по продольной оси дуги в сторону ванны. Под действием этой силы каля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток здесь направлен не симметрично относительно оси дуги, а от передней части сварочной ванны назад. Сила Nр.г. давления газового потока, суммируясь с силой Nр.г. реакции газов, выделяющихся из капли, создает результирующую силу Nг воздействия газовых потоков, под давлением которой происходит отклонение капли в сторону давления газовых потоков. Большая часть капель поэтому после отрыва от электрода летит в потоке жидкого флюса, ограничивающего зону сварки, к задней части ванны.

После установления схемы действия на формирующуюся каплю различных сил можно выяснить факторы, влияющие на ее размер. Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать.

Главной силой, удерживающей каплю на электроде, является сила поверхностного натяжения. На величину этой силы капли влияет:

1) удельное поверхностное натяжение электродного металла при температуре плавления;

2) наличие поверхностно-активных веществ, находящихся в соприкосновении с жидким металлом;

3) температура поверхности капли.

Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных щелочноземельных металлов, свободный кислород и др. обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидкости и тем самым уменьшать силы поверхностного натяжения. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается.

Увеличение сварочного тока значительно влияет на силы отрыва:

1.растут электродинамические силы Nэд ;

2.увеличивается сила Nр.г. давления газовых потоков, а также результирующая сила Nг ;

3.нарастают процессы газообразования в капле и испарения.

Следовательно, увеличение сварочного тока приводит к росту всех сил отрыва, а значит, к измельчению капель.

Для сварки голым электродом на малых токах характерен преимущественно крупнокапельный перенос металла с периодическими замыканиями каплей дугового промежутка. В этом случае поверхностное натяжение металла капли повышенное, так как токи малы и поверхностно-активных веществ нет. Силы отрыва (P и Nэд) нарастают медленно, и поэтому капля успевает сильно увеличиться.

При сварке толстопокрытым электродом на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос металла с редкими замыканиями дугового промежутка. В этом случае величина поверхностного натяжения 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 Nг.п. давления газового потока. Активно развивающиеся процессы газообразования могут преждевременно «дробить» каплю.

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

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель не только величины, но и плотности тока. При некотором критическом его значении капельная форма переноса переходит в струйную. Подобная форма переноса наблюдается при сварке в аргоне. В.И.Дятлов объясняет переход от капельного переноса к струйному увеличением размера столба (рис. 4, а, б), когда активное пятно охватывает боковую поверхность капли и увеличиваются сжимающие силы. Тогда конец электрода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос (рис. 4, в).

Рис. 4. Схема перехода крупнокапельного переноса металла в струйный

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, окисления и др.). Однако нельзя забывать что в таком случае время существования капель уменьшается, я поэтому снижается и полнота протекания реакций.

В этом отношении интересны данные исследований А. А. Ерохина, который изучал влияние режима сварки на частоту перехода капель и время их существования на торце электрода при ручной электросварке. Результаты опытного и расчетного определений этого влияния на время существования и удельную поверхность капель приведены в табл. 1.

Таблица 1. Влияние режима сварки на время существования капель на торце электрода и удельную поверхность

Время существования капель t, мксек

Теоретические основы дуговой и электрошлаковой сварки

Характер переноса электродного металла в сварочную ванну оказывает большое влияние как на формирование шва, так и на металлургические реакции в зоне сварки, что влияет на состав и качество шва.

Как показали исследования, проверенные способом скоростной киносъемки, перенос металла с электрода в сварочную ванну происходит в виде капель разного диаметра, причем независимо от положения шва в пространстве капли всегда переходят с электрода на изделие.

Отрыв и перенос капель в дуге вызван многими факторами: силой тяжести, действующей на каплю, силой поверхностного натяжения жидкого металла, электромагнитными силами, давлением образующихся газов внутри капли.

Сила тяжести способствует переносу капли в сварочную ванну при сварке в нижнем положении, но противодействует ее переносу при сварке в потолочном и вертикальном положениях.

Сила поверхностного натяжения, обусловленная действием межмолекулярного притяжения и стремящаяся придать капле форму шара при ее перемещениях в дуге, способствует слиянию капли с жидким металлом ванны. Сила поверхностного натяжения способствует также удержанию жидкого металла ванны от вытекания при сварке в потолочном и вертикальном положениях.

Электромагнитные силы, возникающие вследствие появления магнитного поля вокруг проводника с током и оказывающие на поверхность электрода и каплю сжимающее действие (рис. 11), способствуют отрыву капли от электрода и переходу ее на свариваемое изделие.

Наряду с этим в образующемся перешейке между каплей и электродом вследствие возросшего сопротивления при прохождении тока выделяется большое количество тепла, вызывающее взрывообразное перегорание перешейка и возникновение дополнительных сил, толкающих каплю к изделию.

Рис. 11. Схема действия электромагнитных сил на каплю электродного металла в момент ее отрыва при дуговой сварке.

При протекании металлургических реакций внутри капли жидкого металла образуется газообразная окись углерода, объем которой во много раз превышает объем капли.

Вследствие этого мгновенно выделяющийся из металла газ способствует отрыву капли от электрода, ее дроблению и переходу на изделие. При сварке открытой дугой взрывообразное выделение газа приводит к вылетанию части жидкого металла за пределы сварочной ванны, т. е. к разбрызгиванию жидкого металла (потерям его).

Характер переноса капель с электрода в сварочную ванну зависит от величины сварочного тока и напряжения дуги. С увеличением тока (при прочих равных условиях) размер капель уменьшается, а количество их образования в единицу времени сильно возрастает.

Время образования каждой из капель на конце электрода и время перелета ее через дуговой промежуток в сварочную ванну при этом уменьшается. С увеличением напряжения на дуге (длины дуги), наоборот, размер капель увеличивается, а количество их в единицу времени уменьшается (рис. 12).

Время образования капли на конце электрода и время перелета ее через дуговой промежуток при этом возрастает. В процессе сварки на минимальных плотностях тока ( отношение сварочного тока к площади сечения электрода) капли электродного металла переходят в ванну при коротких замыканиях. При повышенных плотностях тока и напряжении дуги происходит струйный перенос расплавленного электродного металла без коротких замыканий.

Рис. 12. Изменение величины капель электродного металла:а — в зависимости от напряжения на дуге (17В, 20В, 24В) при сварке со скоростью 30 м/ч в углекислом газе постоянным током обратной полярности 90А проволокой диаметром 0,8 мм, б — кривые зависимости среднего размера капель от силы тока при различных способах сварки; 1 — сварка открытой незащищенной дугой постоянным током обратной полярности малоуглеродистой проволокой, 2 — сварка в аргоне проволокой Св-06Х19Н9Т диаметром 2 мм током обратной полярности, 3 — ручная сварка электродами OMM-5 током прямой полярности, 4 — сварка под флюсом АН-348А малоуглеродистой проволокой током прямой полярности (цифры на левом рисунке указывают напряжение на дуге в вольтах)

В электрошлаковом процессе наблюдается капельный перенос электродного металла в сварочную ванну. С увеличением сварочного тока количество капель, переносимых в 1 с, резко возрастает, однако средняя масса капли и диаметр ее значительно при этом уменьшаются.

В отличие от дуговой сварки при электрошлаковом процессе увеличение напряжения сварки при неизменном токе вызывает увеличение количества капель, переносимых в 1 с, а средняя масса капли и диаметр ее уменьшаются, т. е. при электрошлаковой сварке изменение сварочного тока и напряжения одинаково влияет на перенос электродного металла в сварочную ванну.

Перенос расплавленного металла сварочной дугой

В процессе сварки плавящимся электродом на его конце под действием высокой температуры происходит расплавление металла, образование капли, отрыв этой капли и перенос ее на изделие. В зависимости от размера капель и скорости их образования различают капельныйи струйныйперенос электродного металла на изделие.

Размер капель и скорость их образования зависят:

· от вида дуговой сварки;

· от диаметра электродов и других факторов

При ручной дуговой сварке в виде капель переносится примерно 95% электродного металла, остальные 5% составляют брызги металла и пары, значительная часть которых осаждается на изделие.

Капельный переноспроисходит при сварке штучными покрытыми электродами. В этом случае большинство капель заключено в оболочку из шлака, образовавшегося из расплавляемого покрытия. Аналогичные процессы переноса металла электрода в шов наблюдаются при сварке под флюсом и сварке порошковой проволокой.

При струйном переносеэлектродного металла образуются мелкие капли, которые непрерывно

следуют одна за другой, составляя цепочку (струю). Струйный перенос металла возникает при большой плотности тока (при сварке проволокой малого диаметра). Так, при полуавтоматической сварке в аргоне проволокой диаметром 1,6мм струйный перенос металла начинается при токе величиной около 300А. При сварке на токах, ниже этого значения, наблюдается капельный перенос металла.

При сварке штучными электродами струйный перенос электродного металла невозможен из-за невысокой плотности тока на электроде (порядка 10-20 А/мм²).

27

ВЫВОД

Итак, в процессе сварки в течение короткого промежутка времени происходят сложнейшие процессы взаимодействия различных химических элементов.

При переносе металла с электрода в сварочную ванну компоненты электродного металла и металла сварочной ванны вступают во взаимодействие с различными газами и жидким шлаком. В результате химический состав наплавленного металла может значительно отличаться от химического состава электродов и основного металла. Высокая температура сварочной ванны еще больше усложняет этот процесс.

Студент должен знать:теоретические основы сварочной дуги и ее разновидности; условия зажигания и устойчивого горения дуги; перенос металла через дугу; структуру сварочной дуги; основные характеристики тепловых свойств сварочной дуги; техническое оснащение; возможные виды и причины появления брака; организацию и правила содержания рабочего места; основы промышленной санитарии

Студент должен уметь: в правильной последовательности выполнять перенос расплавленного металла сварочной дугой; способы зажигания сварочной дуги; правильно организовать рабочее место; соблюдать правила техники безопасности при сварке; устранять дефекты, возникающие при зажигании сварочной дуги и переноса металла; проявлять творческую инициативу и активность в совершенствовании организации труда; пользоваться первичными средствами пожаротушения

Контрольные вопросы

1. Что называют сварочной дугой?

2. Какие разновидности сварочных дуг существуют и как они классифицируются?

3. Из каких участков состоит дуговой промежуток?

4. Какие особенности имеет сварочная дуга?

5. Какой показатель называют погонной энергией сварки?

6. Каковы способы зажигания дуги?

7. Чем отличаются капельный и струйный перенос электродного металла?

8. Какие дуги называются короткими, нормальными, длинными?

9. Перечислите факторы, влияющие на зажигание и устойчивое горение дуги.

10. Что такое магнитное дутье и как оно проявляется?

11. Каковы меры борьбы с магнитным дутьем?

12. Объясните сущность переноса металла через дугу в процессе сварки.

13. Какие виды переноса металла через дугу вы знаете?

14. При каких видах сварки происходят процессы капельного переноса металла через дугу?

15. В чем особенности переноса металла через дугу при импульсно-дуговой сварке?

28

Тема № 4 «Металлургические процессы при проведении сварочных работ.

Сварочная проволока и электроды»

Цель: познакомить студентов с техническими требованиями к предстоящей работе в слесарных мастерских; научиться пользоваться инструментами и приспособлениями; последовательности металлургических процессов при сварке; с правилами техники безопасности при сварке; с охраной труда и противопожарной безопасностью

План

1. Металлургические процессы при сварке.

2. Проволока сварочная стальная.

3. Порошковая проволока.

4. Электродные материалы.

5. Флюсы для дуговой и электрошлаковой сварки.

6. Условия хранения и транспортировки сварочных материалов.

Технология ручной дуговой сварки

Во время сварки происходит расплавление и частичное испарение электродного материала. Расплавленный металл и шлак переходят на деталь главным образом в виде капель. В зависимости от их размеров и длины дуги перенос электродного металла может осуществляться без замыкания или с замыканием дугового промежутка. Для современных режимов сварки толстопокрытыми электродами более характерен первый вид переноса.

Перенос без замыканий дугового промежутка.

В формировании и отрыве капель при переносе без замыканий дугового промежутка главную роль играют сила тяжести, сила поверхностного натяжения капель расплавленного металла и сила давления газов, образующихся при расплавлении металла электрода. Характер переноса и размеры капель зависят в основном от силы давления газа.

Процесс расплавления электрода сопровождается интенсивным растворением кислорода, поступающего в капли из окружающей газовой среды и шлака. Это способствует выгоранию углерода с образованием практически нерастворяющегося в металле газа — окиси углерода. По подсчетам из одного кубического сантиметра расплавленного электродного металла при сварке толстопокрытыми электродами выделяется 20—70 см 3 , а при сварке непокрытыми электродами 60—110 см 3 окиси углерода. Количество выделяющегося газа увеличивается за счет паров металла.

Газ, включая и пар, во время расплавления непокрытых электродов выделяется частично непосредственно через поверхность капель, частично собирается в виде пузырьков внутри капель.

При выделении газа непосредственно через поверхность капель без образования пузырьков создаются реактивные силы, действующие на поверхность капель. Эти силы препятствуют; отрыву капель и обусловливают их подвижность на конце электрода, увеличивающуюся с увеличением содержания углерода в электроде. Слой шлака на каплях при сварке толстопокрытыми электродами затрудняет выделение газа непосредственно через поверхность и способствует этим уменьшению подвижности капель. Большую роль играют пузырьки газа внутри капель. Давление газа в пузырьках, наряду с силой тяжести, способствует отрыву капли. При взрывах пузырьков капли электродного металла приобретают большую скорость и отбрасываются к детали.

На фиг. 47 изображены составленные автором схемы развития пузырьков и отрыва капли при сварке в нижнем положении на умеренных силах тока. Пузырьки газа зарождаются обычно у границы расплавления электрода (фиг. 47, а). Зародившись, они быстро растут за счет поступления в их полости новых порций окиси углерода и пара. Одновременно пузырьки поднимаются вверх, вследствие меньшего удельного веса газа по сравнению с металлом, и концентрируются вблизи границы расплавления (фиг. 47, б). В некоторый момент газ прорывает тонкий слой жидкого металла и шлака. Происходит взрыв (фиг. 47, в), в результате которого от электрода отрывается крупная капля н образуется несколько мелких капель. К моменту взрыва возникают новые пузырьки, которые затем также растут, взрываются и отрывают определенные порции металла и шлака.

Фиг.47.Схема образованияи отрыва капель при сварке без замыканий без дугового промежутка

Пузырьки газа могут зарождаться также на границе между металлом и шлаком. Эти пузырьки не достигают больших размеров. В результате их взрывов от сравнительно крупной капли расплавленного металла на конце электрода отрываются мелкие капли, размер которых составляет доли миллиметра.

Исследования показывают, что во время расплавления электрода одновременно образуются капли различных размеров. Весовое соотношение между ними зависит от количества образующегося газа, характера и скорости его выделения. Л это, в свою очередь, зависит от состава электродных стержней и покрытий, рода сварочного тока и полярности, силы тока.

Величина тока при этом оказывает наибольшее влияние. С увеличением тока увеличиваются температура расплавленного металла на конце электрода, скорость выделения газа, частота и интенсивность взрывов. Вследствие этого увеличивается число капель, образующихся за единицу времени, и уменьшается их размер. Например, во время сварки на прямой полярноста постоянного тока электродами ОММ-5 диаметром 5 мм получены следующие данные. При силе тока в 160 а 83,9% электродного металла переходит на деталь в виде капель размером более 5 мм. Причем за 1 сек. таких капель образуется примерно 1 шт. При токе в 315 а максимальный размер капель не превышает 4 мм. При этом 30—34% металла переходит на деталь в виде капель менее 1 мм. Таких капель образуется за секунду примерно 200—300 шт.

Фиг.48.Схема переноса электродного металла с замыканиями дугового промежутка

Фиг.49.Распределение электродного металла по поверхности свариваемого изделия

Перенос электродного металла с замыканиями дугового промежутка. При сварке короткой дугой на небольших токах перенос электродного металла происходит при замыкании дугового промежутка. В таких случаях образующаяся на конце электрода капля (фиг. 48, а) соприкасается с поверхностью сварочной ванны, и металл капли сливается с металлом ванны (фиг. 48, б). Под действием взрыва газов и паров мостик жидкого металла разрушается, значительная часть металла капли отделяется от электрода (фиг. 48, в). Затем капля образуется снова, и процесс повторяется.

В зависимости от режимов сварки число замыканий дугового промежутка может составлять от 1—2 до 30—50 в сек. В периоды между замыканиями от крупной капли идет постоянный отрыв мелких капель за счет действия выделяющихся газов.

Перенос с замыканиями дугового промежутка играет наибольшую роль при сварке в потолочном положении. В этом случае для улучшения переноса сварка должна вестись на самой короткой дуге.

Разбрызгивание электродного металла.

Хорошо известно, что расплавленный электродный металл не весь переходит в шов: часть его в виде брызг вылетает из зоны сварки и составляет потери на разбрызгивание. Наличие таких потерь уменьшает производительность процесса сварки, увеличивает расход электродов, электроэнергии и требует дополнительного времени на очистку изделий от брызг.

Явление разбрызгивания представляет частный случай переноса металла в дуге. При взрывообразном выделении газа из расплавленного электродного металла капли металла приобретают сравнительно большие скорости и разлетаются в различных направлениях. Распределение капель по поверхности изделия соответствует графику, представленному на фиг. 49.

Прямая ей обозначает ширину сварочной ванны. Как видно, основная часть электродного металла распределяется вблизи от шва и попадает в сварочную ванну. Заштрихованная часть графика соответствует потерям на разбрызгивание.

Величина потерь зависит от состава электродных стержней и покрытий, рода, силы тока и его полярности, а также от других факторов, влияющих на процесс газовыделения при расплавлении электрода. Она зависит также от длины дуги, вида сварного соединения и техники выполнения сварки.

С увеличением тока и длины дуги потери сильно возрастают. Потери возрастают также при увеличении содержания углерода в электроде, например, за счет применения доменного ферромарганца вместо электропечного в покрытиях ОММ-5 и ЦМ-7.

Обычно величина потерь на разбрызгивание определяется совместно с потерями на угар. Средние значения общих потерь для различных марок электродов приведены в главе III. Потери на угар, как правило, составляют незначительную величину по сравнению с потерями на разбрызгивание.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector