Процесс массопереноса расплавленного металла через межэлектродный промежуток

Процесс массопереноса жидкого металла через межэлектродный промежуток существенно влияет на качество сварных соединений.

Использование скоростной киносъемки (5800 кад/с) позволило установить, что жидкий металл переносится через межэлектродный промежуток в сварочную ванну в виде капель. Причем сила сварочного тока оказывает существенное влияние на характер массопереноса.

Различают три формы переноса жидкого металла через дуговой промежуток: крупнокапельный (при небольших значениях силы сварочного тока j < 50 A/мм²); мелкокапельный массоперенос (при плотностях силы сварочного тока 50 A/мм² < j <100 A/мм²); струйный массоперенос жидкого металла - очень мелкие капли (при плотностях силу сварочного тока 100 A/мм² < j).

Итак, с увеличением силы сварочного тока размеры капель уменьшаются. На размеры капель жидкого металла при заданной силе сварочного тока могут также влиять марка сварочной проволоки и химический состав газов в межэлектродном промежутке, так как они влияют на поверхностную энергию жидкого металла, которая определяет, в конечном счете, размеры капель жидкого металла.

Отрыв капель жидкого металла и перенос их через межэлектрод-ный промежуток в варочную ванну происходит под действием следующих сил: силы тяжести, силу поверхностного натяжения, электромагнитных сил Лоренца, силы давления газов и паров металла.

Основные параметры электродуговой сварки

При электродуговой сварке формирование сварного шва определяется процессами расплавления плавящегося электрода или присадочного стержня, переносом расплавленного металла через дуговой промежуток, а также наплавки его на основной металл.

Важным параметром дуговой сварки является производитель-ность сварки, которая определяет необходимое время для выполнения сварочных работ.

По определению производительностью сварки (G) называется масса наплавленного металла в единицу времени, которая определя-

ется выражением , г/ч, гдеDGн – масса наплавленного металла, г; t - время сварки, ч.

Производительность дуговой сварки зависит силы сварочного тока, которую можно определить выражением:

GH=KH ×I, г/ч, (2.7)

где KH- коэффициент наплавки, г/(А×ч), I – силы сварочного тока, А.

Коэффициентом наплавки KH называется масса наплавленного металла, приходящаяся на силу тока в 1А в единицу времени, г/( А×ч).

Коэффициент наплавки рассчитывается по формуле

, г/(А×ч), (2.8)

где DGн –масса наплавленного металла, г; I- сила сварочного тока, А; t - время сварки, с.

Величина коэффициента наплавки зависит от силы сварочного тока, марки электрода от способа сварки. При ручной дуговой сварке KH=7…10 г/А×ч.

Производительность сварки определяется скоростью расплавле-ния плавящегося электрода или присадочного стержня, скоростью потерь жидкого металла, при переносе его межэлектродный промежуток.

Массы расплавленного и наплавленного металла, а также масса потерь жидкого металла в процессе переноса его через межэлектродный промежуток определяется законом сохранения вещества DGр = DGн + DGп , (2.9)

где DGр, DGн, DGп – соответственно массы расплавленного, наплавленного металла, а также масса потерь жидкого металла в процессе его переноса через дуговой промежуток.

Другим важным параметром электродуговой сварки является коэффициент расплавления Кр.

Коэффициентом расплавления Кр называется масса расплавлен-ного металла, приходящаяся на силу тока 1А в единицу времени, г/(А ч).

Коэффициент расплавления рассчитывается по формуле

, г/( А×ч), (2.10)

где DGр - масса расплавленного металла, г; I- сила сварочного тока, А; t - время сварки, с.

Оценки, проведенные одним из авторов данной работы, показали, что с увеличением силы сварочного тока имеет незначительное уве-личение коэффициента расплавления, которым можно пренебречь.

Другим очень важным параметром электродуговой сварки является коэффициент потерь, который определяется выражением

×100, % (2.11)

где DGл - масса потерь жидкого металла на разбрызгивание в процессе переноса его через дуговой промежуток; DGр - масса расплавленного металла.

Используя выражение (18), можно получить выражение для расчета Кп, используя экспериментально найденные значения коэффициентов расплавления Кр и наплавки Кн

% . (2.12)

На величину потерь жидкого металла при переносе его через междуговой промежуток оказывают следующие факторы: число заряженных частиц и их кинетическая энергия, бомбардирующих ванну жидкого металла (металла заготовок); электромагнитные силы Лоренца, действующих на заряженные капли жидкого металла при переносе их через дуговой промежуток; скорость процессов обезуглероживания (при изготовлении стальных сварных конструкций). Влияние вышеперечисленных факторов определяется силой сварочного тока.

Чем больше сила сварочного тока, тем соответственно больше число заряженных частиц, бомбардирующих ванну жидкого металла, тем больше вероятность потерь жидкого металла разбрызгиванием.

При этом газовая среда дугового промежутка будет оказывать существенное влияние на поверхностную энергию жидкого металла и

соответственно влиять на образование брызг жидкого металла при бомбардировке сварочной ванны заряженными частицами.

При массопереносе жидкого металла через межэлектродный промежуток капли жидкого металла адсорбируют заряженные частицы, на которые действуют электромагнитные силы Лоренца Fл, которые оказывают влияние на величину потерь его при изготовлении сварных конструкций.

Величина сил Лоренца рассчитывается по формуле

, (2.13)

где q – заряд капли жидкого металла; с – скорость света, V – скорость перемещения капель жидкого металла через дуговой промежуток к сварочной ванне под действием сил электрического поля; В – индук- ция магнитного поля. Под действием сил Лоренца заряженные капли металла отклоняются из зоны сварки. Магнитная индукция пропорцио-на силе сварочного тока. Таким образом, с увеличением силу свароч-ного тока потери жидкого метала на разбрызгивание возрастает.

Схема, поясняющая действие сил Лоренца на каплю жидкого металла приведена на рис.2.1.

Рис.2.1. Схема, поясняющая действие сил Лоренца на каплю жид-

кого металла при её переносе через дуговой промежуток

Другим фактором, влияющим на потери жидкого металла при сварке стальных конструкций, является скорость процесса обезугле-

роживания. Капля жидкого металла в дуговом промежутке контактирует с двухатомными газами, в частности с кислородом, кото-

рый растворяется в ней. В капле стальной сварочной проволоке содержится углерод, который взаимодействует с атомарным кислородом газовой фазы с образованием окиси углерода. Причем оксид углерода не растворяется в жидком металле. Эта химическая реакция изменяет химический состав газовой фазы дугового промежутка. Помимо этого, атомарный кислород газовой фазы активно растворяется в капле жидкого металла и с поверхности её диффундирует внутрь последней. Растворенные кислород [O] и углерод [C] внутри капли жидкого металла взаимодействуют по реакции [O] + [C] = СО, в результате которой образуется оксид углерода, который не растворяется в ней. В результате этой реакции внутри капли жидкого металла образуется газовый пузырь, газовое давление которого растет по мере протекания химической реакции. При достижения критического давления, когда Рсо×Vг >Eпов произойдет разрыв капли жидкого металла на отдельные её части, где Рсо - давление оксида углерода внутри газового пузыря; Vг -критический объем газового пузыря оксида углерода; Епов -поверхностная энергия капли жидкого металла. Таким образом, с увеличением скорости протекания химической реакции обезугле-роживания внутри капли жидкого металла ([C] + [O] =CO) потери металла на разбрызгивание увеличиваются.

Скорость протекания процессов обезуглероживания зависят от температуры дугового промежутка и от характера массопереноса, который зависит от силы сварочного тока.

С увеличением силы сварочного тока размеры переносимых капель жидкого металла через межэлектродный промежуток уменьшаются, и соответственно поверхность контакта газовой фазы дугового промежутка с каплями жидкого металла увеличиваются; соответственно скорость протекания химической реакции обуглероживания [C] + [O] = CO возрастает, и соответственно возрастают потери металла на разбрызгивание.

Таким образом, анализ влияния вышеперечисленных факторов на потери металла показал, что с увеличением силы сварочного тока потери металла на разбрызгивание при изготовлении сварных конст-

рукций увеличиваются.

Априорный анализ влияния силы сварочного тока на коэффициенты наплавки и расплавления (рис.2.2) показал, что с увеличением силы сварочного тока значение коэффициента наплавки уменьшаются (кривая 1), а также в некоторых случаях при сварке короткой дугой и при небольших значениях силы сварочного тока зависимость коэффициента наплавки от силы сварочного тока имеет вид (кривая 2). Небольшое увеличение коэффициента наплавки с увеличением тока, которое может иметь место при сварке короткой дугой и малых значениях силы сварочного тока, связано с коротким замыканием крупными каплями жидкого металла межэлектродного промежутка и соответственно с взрывным испарением жидкого металла

Рис.2.2. Влияние вилы сварочного тока на значение коэффициентов наплавки и расплавления

Оценки, проведенные одним из авторов данной работы, показали, что имеет место незначительное увеличение коэффициента расплавления с увеличением силы сварочного тока (кривая 3), которым можно пренебречь.