1.10.1. Силы тяжести и поверхностного натяжения

Сварка в нижнем положении без коротких замыканий (длинной дугой).

При отсутствии поля тяготения капля жидкого металла под действием сил поверхностного натяжения принимает форму шара (рис. 7) и, если другие силы отсутствуют, может увеличиваться неограниченно. С повышением температуры поверхностное натяжение изменяется незначительно и для условий сварки может считаться постоянным. На величину сил поверхно-стного натяжения вли­яют природа материала электрода, а также свойства окружающей среды. Например, для перехода от крупнокапельного перено-са металла к мелкокапельному при сварке в аргоне достаточно добавить к аргону 2…5 % кислорода.

Рис. 7. Влияние силы тяжести и поверхностного натяжения

на перенос электродного металла в сварочную ванну

При наличии поля тяготения сила тяжести будет отрывать ви-сящую на конце электрода каплю.

Величина силы поверхностного натяжения определяется по формуле

(1.32)

где r_э — радиус электрода;

— коэффициент поверхностного натяжения,

Вес капли жидкого металла

(1.33)

где r_k — радиус капли жидкого металла;

— плотность материала электрода;

— ускорение свободного падения.

Условие отрыва капли от электрода (1.34)

Сварка в нижнем положении с короткими замыканиями (сварка корот-кой дугой). В данном случае на каплю действуют три силы: сила тяжести, сила поверхностного натяжения F_1п, возникающая в контакте капля — сва-рочная ванна, и сила поверхностного натяжения F_2п, возникающая в кон-такте капля — электрод.

Условие отрыва капли от электрода (1.35)

Сварка в потолочном положении. При сварке в потолочном положении процесс осуществляется, как правило, короткой дугой. Поэтому на каплю жидкого металла действуют те же силы, что и в предыдущем случае с той лишь разницей, что сила тяжести становится отри­цательной и препятст-вует отрыву капли от электрода.

Условие отрыва капли от электрода (1.36)

1.10.2. Электродинамическая сила (пинч-эффект)

При протекании тока по параллельным проводникам возникают силы взаимодействия. Если ток направлен в одну сторону, проводники стремят-ся сблизиться, если в разные — разойтись (рис. 8).

Рис. 8. Действие электродинамической силы на проводники с током

Величина механической силы равна (1.37)

где Н — напряженность магнитного поля; I — ток; L — длина проводника с током.

Возьмем цилиндрический проводник и мысленно разобьем его на от-дельные волокна (рис. 9). При пропускании тока все волокна должны стя-гиваться к центру, т. е. появляется радиальное сжимающее усилие, которое

называется пинч-эффектом. Величина силы пинч-эффекта из­меняется по параболическому закону

(1.38)

где — магнитная проницаемость; R — радиус проводника с током;

r — расстояние от интересующей нас точки до центра проводника.

Рис. 9. Действие электродинамической силы (пинч-эффекта)

на цилиндрический проводник

Рассмотрим два крайних случая:

1) интересующая нас точка лежит на оси проводника, т. е. r = 0, тогда

(1.39)

2) интересующая нас точка лежит на образующей проводника, т. е. r =R , тогда Р = 0. (1.40)

Изменение силы пинч-эффекта в цилиндрическом проводнике показа-но на рис. 10.

Рис. 10. Закон изменения электродинамической силы,

действующей на цилиндрический проводник

Если проводник имеет переменное сечение, силы пинч-эффекта прояв-ляются иначе (рис.11).

Рис. 11. Действие электродинамической силы на проводник

составного сечения

На коническом участке сила пинч-эффекта направлена под углом к го-ризонту. Разложим ее на состав­ляющие:

Р_r — радиальная составляющая; P_a — аксиальная составляющая.

Радиальная составляющая стремится сжать проводник, а аксиальная растянуть. Аксиальная составляющая всегда направлена в сторону боль-шего сечения. Величину аксиальной составляющей определяют по форму-лам г. (1.41) Н. (1.42)

Таким образом, величина аксиальной составляющей пинч-эффек­та не зависит от формы проводника (в частности от формы капли жидкого ме-талла), а определяется лишь величиной тока и отношени­ем радиусов кон-кретных участков проводника тока.

Перейти от абстрактного проводника к сварочной дуге возможно, если произвести следующую замену: r₁ = r_c (r_c — радиус столба дуги) и r₂= r_э (r_э — радиус электрода).

Рассмотрим влияние аксиальной составляющей пинч-эффекта на пере-нос расплавленного электродного металла.

Рис. 12. Действие аксиальной составляющей пинч-эффекта

на каплю электродного металла

При малых токах активное пятно, расположенное на поверхнос­ти ка-пли, занимает сравнительно малую площадь. Капля не охватывается дугой, Аксиальная составляющая направлена от столба дуги к электроду и препятствует отрыву капли. Перенос ме­талла крупнокапельный.

С увеличением тока он достигает величины, которая называет­ся пер-вым критическим током Площадь активного пятна на поверхности капли несколько увеличивается и радиус столба дуги может стать равным радиусу электрода. Аксиальная составляющая пинч-эффекта становится равной нулю, а перенос металла остается крупнокапельным.

При значительном увеличении тока он достигает величины, ко­торая называется вторым критическим током В этом случае на конце эле-ктрода образуется конус, который охватывается дугой, т. е. Акси-альная составляющая пинч-эффекта становится положительной, направ-лена от электрода в столб дуги и способствует отрыву капли. Перенос металла мелкокапельный (или струйный).

Справедливость приведенных рассуждений о влиянии аксиальной со-ставляющей пинч-эффекта на перенос металла подтверждается характером формирования капли и ее переносом с электрода в свароч­ную ванну при импульсно-дуговом процессе с плавящимся электродом.

При импульсно-дуговой сварке появляется возможность управления переносом расплавленного электродного металла. Особенность импульс-но-дугового процесса заключается в том, что при достаточно низком базо-вом токе сварочного источника питания на дугу накладываются импу-льсы тока с заданной частотой следования от специального устройства. В промежутке между импульсами базовый ток плавит металл электро­да, а отрыв капли осуществляется в момент действия импульса тока (рис. 13).

Рис. 13. Осциллограмма импульсно-дугового процесса

Амплитуда импульса тока регулируется в зависимости от материала электрода и его диаметра, состава газовой среды и положения шва в про-странстве. Принудительный направленный перенос металла, который мо-жет быть мелкокапельным или струйным, упроща­ет технику наложения швов, что особенно важно при полуавтоматической сварке в вертикальном и потолочном положениях. Кроме того, уменьшаются потери электродного металла на разбрызгивание, появляется возможность регулировать степень выгорания отдельных элементов.