Вопрос 2. Виды переноса электродного металла на изделия.

Перенос металла через дугу

При горении сварочной дуги происходит взаимодействие электрического и магнитного полей, в результате чего возникают электромагнитные силы, которые сжимают столб дуги (пинч-эффект). Эти силы направлены от наружной поверхности дуги к ее оси.

Под действием сжимающих электромагнитных сил и высокой температуры на конце электрода происходит плавление металла, образование и отрыв капли, которая переносится на изделие. В зависимости от размера и скорости образования капель различают капельный и струйный перенос. Размер капель зависит от плотности сварочного тока и напряжения дуги. При увеличении плотности сварочного тока происходит уменьшение размера капель жидкого металла, а число их увеличивается. При повышении напряжения дуги размер капель жидкого металла увеличивается, а число их уменьшается. Для уменьшения разбрызгивания металла при дуговой сварке плавящимся электродом сварку проводят с повышенной плотностью сварочного тока при относительно малых значениях напряжения дуги или применяют импульсный режим сварки.

При ручной сварке в виде капель переносится в сварочную ванну примерно 95 % электродного металла, остальное – это брызги и пары, значительная часть которых осаждается в разных местах на изделии.

Капельный перенос происходит 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.

Струйный процесс переноса металла характерен для сварки плавящимся электродом в защитных газах.

При струйном переносе образуются мелкие капли, которые следуют друг за другом в виде непрерывной цепочки (струи). Струйный процесс переноса электродного металла возникает при сварке проволокой малого диаметра с большой плотностью тока. Например, при сварке полуавтоматом (механизированной) в аргоне проволокой (электродом) диаметром 1,6 мм струйный перенос металла осуществляется при критическом токе 300 А. При сварке на токах ниже критического наблюдается уже капельный перенос металла. Обычно струйный перенос электродного металла приводит к меньшему выгоранию легирующих элементов в сварочной проволоке и к повышенной чистоте металла капель и сварного шва. Скорость расплавления сварочной проволоки при этом увеличивается. Поэтому струйный перенос имеет преимущества перед капельным.

При импульсно-дуговой сварке перенос металла через дугу имеет свои особенности. Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом имеет существенное преимущество по сравнению со сваркой неплавящимся и плавящимся электродами в защитных газах и другими видами сварки, так как с помощью специальной, системы создаются условия управляемого и направленного переноса металла с незначительными потерями металла на угар и разбрызгивание.

Существуют две разновидности управляемого переноса металла. Первая состоит в том, что при каждом импульсе сварочного тока от электрода отделяется и переносится в сварочную ванну одна капля расплавленного металла (при сварке в среде аргона). Вторая разновидность состоит в том, что во время прохождения импульса сварочного тока большей длительности, чем в первом случае, происходит интенсивное плавление электрода со струйным переносом металла.

Этот процесс переноса металла характерен для сварки активированным электродом на постоянном токе прямой полярности в активных и инертных газах, а также при сварке в аргоне постоянным током обратной полярности.

При дуговой сварке, плавящийся электродный металл в виде капель и паров переходит в сварочную ванну. Наиболее легко этот процесс наблюдается при сварке открытой дугой.

В первый период происходит образование капли и оплавление конца электрода. Затем капля вытягивается и замыкает дуговой промежуток. Образовавшийся жидкий мостик малого сечения вследствие высокого электрического сопротивления мгновенно испаряется. Капля со взрывом переносится в сварочную ванну, и процесс возобновляется. При этом надо иметь в виду, что весь процесс идет при весьма высокой температуре и с обильным газовыделением: металл кипит и перенос его происходит бурно, толчками, а не путем плавного перетекания с электрода в ванну. Однако указанный процесс переноса существенно изменяется при наличии покрытия на электроде или флюсе: капли становятся значительно меньше, периоды замыкания дугового промежутка отсутствуют.

До настоящего времени нет единой точки зрения по вопросу о главном факторе, обусловливающем перенос металла с электрода на изделие. Очевидно, на процесс переноса влияет несколько факторов:

1. сила тяжести;

2. сила поверхностного натяжения;

3. силы газообразования;

4. электрические силы (электростатические и электродинамические). Сила тяжести имеет второстепенное значение в процессах переноса.

Силы поверхностного натяжения металла и межфазового (металл - шлак) интересны с точки зрения удержания сварочной ванны на изделии и частично в связи с переносом. Очевидно, что жидкая капля электрода, будучи приближена к поверхности сварочной ванны, притягивается последней под действием молекулярных сил. Между молекулами поверхностного слоя и каплей возникает взаимодействие, и капля сливается со сварочной ванной.

Некоторые исследователи считают силы газообразования основным фактором, обусловливающим перенос металла. Газы образуются, в основном, от сгорания углерода, входящего в состав стержня электрода. Углерод сгорает в СО; аналогичное выгорание происходит и в сварочной ванне. При сварке голыми электродами СО выделяется через открытую поверхность, а при толстопокрытых электродах – через слой покрытия (в виде пузырей). Подсчеты показывают, что при температуре 3000° С из малоуглеродистой проволоки с содержанием углерода 0,25% выделяется около 10 см³ окиси углерода СО.

Кроме окиси углерода, образуются пары марганца, кремния и железа. Давление выделяющихся газов намного превышает атмосферное; оно создает усилие, отрывающее и выталкивающее капли в сварочную ванну, а частично, и в сторону от нее (разбрызгивание). С другой стороны, газы и пары металла, выделяющиеся из сварочной ванны, создают реактивные силы, направленные против движения капли. Действие этих сил в районе активного пятна способствует увеличению размеров капель, образующихся на электроде.

И. И. Фрумин установил, что с повышением содержания в электродном стержне углерода размеры капель становятся меньше, что, по-видимому, объясняется обильным образованием СО. Однако объяснять перенос только действием сил газообразования нельзя, так как это явление специфическое для стали и не может быть причиной переноса при сварке других металлов, например алюминия.

Более существенную роль в переносе играют электродинамические силы, возникающие в результате так называемого «пинч-эффекта». Явление пинч-эффекта состоит в том, что при прохождении тока по проводнику в последнем возникают сжимающие силы магнитного поля, направленные нормально линиям тока. Под действием этих сил проводник стремится уменьшить поперечное сечение.

Радиальное давление, создаваемое пинч-эффектом, ввиду своей незначительной величины не сказывается на форме твердого проводника (электрода), однако оно может изменять форму газообразного или жидкого проводника.

В электродном стержне линии тока параллельны и влияние эффекта сказывается наиболее сильно. В массе изделия ток расходится, и пинч-эффект уменьшается. Благодаря такому постепенному исчезновению поперечных сжимающих сил вдоль электрода и дуги возникают силы давления, направленные вдоль оси электрода. Под действием такой осевой силы начинается перемещение материальных частиц газа и жидких капель с конца электрода по направлению к свариваемому изделию.

По-видимому, нельзя какой-либо один фактор считать основным; действует комплекс сил и в зависимости от условий сварки, рода материалов, наличия газообразующих веществ и силы тока – силы газообразования или силы электродинамические могут играть наиболее существенную роль в переносе.