Перенос электродного металла в сварочную ванну

 

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.

Электродный металл переносится через газовую среду в виде капель разного размера, диаметром от 6 – 7 до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров.

В процессе сварки одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий сварки преобладает той или иной размер.

Главные формы переноса: крупнокапельный и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный – без коротких замыканий, струйный, а также перенос металла в виде паров.

Процесс переноса электродного металла исследуется при помощи скоростной киносъемки дуги.

Механизм переноса включает следующие моменты.

 

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 действуют ряд главных сил, способствующих или препятствующих ее отрыву от торца электрода: сила тяжести P, электродинамические силы N_эд, сила поверхностного натяжения N_пн.

1) сила тяжести P способствует отрыву капель при сварке в нижнем положении и противодействует отрыву при потолочной сварке;

2) электродинамические силы N_эд являются результатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного силового поля, оказывающее сжимающее действие на электрод (пинг?-эффект);

Электродинамические силы возникают в результате одновременного действия таких сил:

а) Усилия сжатия N_сж, величина которых зависит от тока и определяется

N_сж = 5.1×10^-6×I²,

где I – сварочный ток, А.

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

б) Дополнительной продольной силы N_доп, возникающей одновременно с образованием шейки и направленной от меньшего сечения капли, имеющего радиус z₀, к большему, с радиусом z₁.

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

N_эд = 1,02×10^-5×I²×ln()

N_эд = 5×10^-6×I²×ln()

При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряжение падает, а ток резко возрастает, сила N_эд также интенсивно увеличивается, но оказывается направленной от центра мостика вверх и вниз. Действующая вниз сила _эд будет больше той, которая направлена вверх - _эд, так как поверхность ванны значительно больше, чем сечение электрода, а значит >> .

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

3) сила поверхностного N_пн в процессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового промежутка поверхностное натяжение металла вытягивает каплю и тем способствует отрыву ее от торца.

В условиях сварки толстопокрытым электродом к главным силам, действующим на каплю, добавляются сила давления газового потока и сила реакции газов, выделяющихся из капли N_рг. При этом плавление обмазки несколько отстает от плавления стержня, и на торце электрода появляется своеобразная «трубка». Выделяющиеся по «трубкой» газы (CO₂,H₂,CO,O₂ и др.) нагреваются, расширяются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне (рис. а.). Сила давления газового потока N_гп, стремящаяся оторвать каплю от электрода, является вместе с тем одной из причин образования кратера в сварочной ванне. Так как газовый поток в рассматриваемом случае симметричен относительно оси столба, капля формируется в центре торцевой поверхности электрода.

Сила реакции газов, выделяющихся из капли, связана с развитием процессов газообразования в самой капле. Установлено, что при плавлении электрода выделяется в среднем около 10 см³ газа на 1 см³ жидкого металла. При автоматической сварке под флюсом на каплю действуют те же силы, но несколько меняются направление и величина некоторых их них (рис. Б.).

Вследствие наклонного положения столба дуги результирующая электродинамическая сила N_эд направлена по продольной оси дуги, в сторону ванны. Под действием этой силы капля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток здесь направлен несимметрично относительно оси дуги, а от передней части сварочной ванны – назад. Сила давления газового потока N_гп, суммируясь с силой реакции газов, выделяющихся из капли, N_рг, создает результирующую силу воздействия газовых потоков N_гп, под давлением которой происходит отклонение капли в сторону давления газовых потоков: большая часть капель 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 размеры.

Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать.

В процессе формирования капли главной силой, удерживающей ее на электроде, является сила поверхностного натяжения.

На величину поверхностного натяжения металла капли влияют:

1) удельное поверхностное натяжение электродного металла при температуре плавления;

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

3) температура поверхности капли.

Температура капель находится в пределах 2420 – 2770 К.

Температура ванны для низкоуглеродистой стали при сварке под флюсом 2040 100 и 2270 100.

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 расплавления металла поверхностное натяжение также сильно снижается. Таким образом, присутствие поверхностно-активных веществ и увеличение сварочного тока понижает поверхностное натяжение капель и измельчает капли.

Увеличение I св. сильно влияет и на силы отрыва. С ростом I св. наблюдается:

1) интенсивное возрастание электродинамических сил N_эд;

2) увеличение силы давления газовых потоков N_гп, а также результирующей силы N_г;

3) нарастание процессов газообразования в капле и испарения.

Следовательно, увеличение I св. приводит к росту всех сил отрыва, а значит, к измельчению капель.

1) для сварки голым электродом на малых токах характерен преимущественно крупнокапельный перенос металла, с периодическими замыканиями каплей дугового промежутка;

2) при сварке толстопокрытым электродом на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос металла с редкими замыканиями дугового промежутка.

3) при сварке под флюсом наблюдается более мелкокапельный перенос металла, а также перенос в виде паров.

На размер переносимых капель влияет плотность тока.

Основное влияние на размеры капель и частоту их переноса оказывает сила тока.

При этом опорное пятно дуги охватывает боковую поверхность электрода, конец которого заостряется. Степень заострения тем больше, чем меньше теплопроводность металла стержня.

Резкое измельчение капель при струйном переносе можно объяснить прежде всего значительным уменьшением радиуса конца электрода и поверхности формирующейся капли и соответствующим уменьшением результирующей силы и поверхностного натяжения.

Повышение напряжения сварки вызывает уменьшение размера капель.

При некотором критическом значении тока капельная форма переноса переходит в струйную. При струйном переносе металла конец электрода заостряется в виде конуса. С вершины этого конуса срываются капли, образующие струю (в среде аргона). Переход от капельного переноса в струйный объясняется увеличением размеров столба, когда активное пятно охватывает боковую поверхность капли и появляются сжимающиеся силы, действующие совместно с электромагнитными. Тогда капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос.

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).

Однако время существования капель уменьшается, а поэтому снижается и полнота протекания реакций. На развитие реакций в каплях особенно сильно сказывается увеличения напряжений на дуге. Увеличение напряжения уменьшает удельную поверхность капель, увеличивая время их существования на торце электрода.

Во время перехода через газовую среду капли частично или полностью покрываются оболочкой расплавленного шлака, в результате чего значительно активизируются реакции между жидким металлом и шлаком. Возможно также перемешивание металла со шлаком в результате бурного выделения газов.

При электрошлаковом процессе применяются большие плотности тока, чем при дуговой сварке (100 – 120 А/мм²),поэтому нагрев электрода оказывается более интенсивным. Электрод, погруженный в шлаковую ванну плавится не только с торца, на и по всей боковой поверхности, поэтому конец его по мере плавления приобретает своеобразную заостренную форму. На каплю действуют те же силы.

На размер переносимых через шлак капель влияют величина тока, напряжение сварки, диаметр электродной проволоки, химический состав электродной проволоки и шлака.

Уменьшение I св. снижает температуру торца электрода и величину электродинамической силы, что приводит к укрупнению капель. Повышение напряжения сварки вызывает уменьшение размера капель.

 

1.2 Металлургические процессы при сварке

 

1.2.1 Газовая фаза в зоне сварки плавлением

 

При сварке плавлением наблюдается взаимодействие жидкого металла с окружающей газовой средой.

Физико-химические процессы, протекающие в газовой среде, оказывают большое влияние на качество сварки. К числу важнейших процессов относится диссоциация газов, их растворение в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с металлом.

 

1. Диссоциация газов

 

Высокая температура в зоне сварки создает условия для диссоциации многоатомных газов.

В настоящее время отрицательным считают тепловые эффекты реакций, протекающих с выделением теплоты ( Н < 0), и положительными – протекающих с поглощением теплоты ( Н > 0).

Для экзотермической реакции тепловой эффект реакции Q_p больше нуля, но так как энергия выделяется в результате уменьшения энтальпии, то H<0. для реакций эндотермических Q_p меньше нуля, но разность энтальпий H>0, так как поглощенная энергия увеличивает энтальпию системы.

Тепловой эффект реакции обозначается через H. В учебных пособиях по общей химии, изданных до 1967 г., использована противоположная система знаков. Тепловой эффект реакции обозначался через Q.

Процессы диссоциации газов сопровождаются поглощением тепла, т.е. являются эндотермическими, поэтому H>0.

H₂ 2 H; Δ Н = 435 кДж,

О₂ 20; Δ Н = 495 кДж,

N₂ 2 N; Δ Н = 712 кДж,

Молекула азота является самой прочной, т.к. энергия, затрачиваемая на диссоциацию молекулы, наиболее высокая. В одинаковых условиях азот должен диссоциировать меньше, чем кислород и водород.

Константа равновесия процесса диссоциации, например, для водорода, при постоянном давлении Р будет

= (2).

При степени диссоциации один объем газа превращается в 2 +1- = 1+ .

Парциальные давления для ; для .