Силы в дуге

Характер переноса металла оказывает влияние на технологические и металлургические процессы, качество и внешний вид шва.

Как установлено исследованиями и скоростной киносъемкой перенос в электрической дуге осуществляется каплями разных размеров, причем независимо от положения, при котором выполняется сварка, капли всегда переходят с электрода на изделие.

Образование капель, их отрыв от электрода и пернос в дуге вызван рядом факторов: электромагнитными силами, силой тяжести, силой поверхностного натяжения жидкого металла, неравномерной напряженностью электрического поля, давлением образующихся газов внутри капли и реактивным действием потока газов, образующихся в «чехольчике» покрытия при сварке толстопокрытыми электродами.

На расплавленный металл в дуге действуют следующие силы:

1. сила тяжести;

2. сила поверхностного натяжения;

3. электродинамические силы в жидком проводнике;

4. реактивные силы;

5. электростатические силы;

6. сила давления плазменных потоков.

1. Сила тяжести прямо пропорциональна массе капли катода

,

- масса капли;

- ускорение.

Сила тяжести проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз. Эта сила способствует отрыву капли в нижнем положении и препятствует при сварке в потолочном положении.

2. Сила поверхностного натяжения. Обусловлена действием межмолекулярного притяжения, стремится придать расплавленной капле на торце электрода сферическую форму при ее перемещении в дуге и способствует слиянию капли с жидким металлом ванны. Удерживают капли на «потолке», вливают каплю в жидкую сварочную ванну.

Коэффициент поверхностного натяжения

,

- сила, действующая на границу поверхностной пленки жидкости;

- длина этой границы.

Me	Zn	Fe	W	сталь	Шлак св.
	0,77	1,22	2,68	1,10/2,50	0,3-0,4

О₂ снижает и его добавляют в количестве до 5% в смесь инертных газов для снижения .

При сварке на обратной полярности анодное пятно стабильно на торце жидкой капли и с увеличением тока плотность тока остается постоянной, а катодное пятно растет. Поэтому перегрев капли и ее кипение наступают при меньших токах или на прямой полярности, когда катодное пятно беспорядочно перемещается.

3. Электродинамические силы пинч-эффекта.

Они способствуют появлению плазменных потоков от мест сужения столба дуги, в слаботочных дугах эти силы малы, поэтому преобладает крупнокапельный перенос металла. А в сильно точных дугах перенос струйный.

Струйный перенос сопровождается появлением конуса жидкого металла на конус электрода.

Средний размер капель монотонно уменьшается и при некотором значении тока выше критического, перенос металла практически переходит в струйный ( на обратной полярности больше на прямой полярности).

4. Реактивные силы.

Возникают вследствие того, что покрытие в первую очередь раплавляется и частично испаряется внутри чехольчика, где образуется большое количество газов, значительно усиливающееся в объеме вследствие интенсивного нагревания. Это и приводит к появлению реактивной силы газов, отбрасывающих капли от электрода к изделию. Вызываются давлением паров, противодействуют начальному обрыву капли. Если реактивные силы имеют взрывной характер, то они препятствуют струйному переносу.

- давление реактивных паров.

.

Струйный перенос возможен при меньших токах

.

,

.

5. Электростатические силы.

Возникают из-за большого градиента потенциала (напряженности поля) в переходных областях дуги, особенно у катода.

,

.

Поэтому создается разность давлений и течение газа от катода к аноду.

.

Достигает несколько десятков Па.

При высокой напряженности может деформировать металл в сварочной ванне, вытягивая его в виде конуса от катода к аноду, при обратной полярности.

При сварке в молекулярных газах N₂, СО₂ очень трудно получить струйный перенос, так как катодное пятно сливается на поверхности из-за сильного охлаждения дуги, в результате образования стержня диссоциации.

6. Плазменные потоки.

Мощный катодный поток вызывает отраженный анодный поток, который концентрически охватывает катодную струю. Он вызывает сдвиг капли в сторону и даже подъем ее над торцем электрода, вызывая разбрызгивание металла (в СО₂).

Установлено, что чем меньше размер капель, тем меньше время их нахождения на торце электрода, благодаря чему металл капли меньше нагревается, а скорость плавления электрода увеличивается, так как передача теплоты дуги твердому металлу происходит через меньший слой жидкого металла.

Мелкокапельный перенос металла улучшает стабильность горения дуги. Поэтому часто применяют специальные меры по уменьшению размеров капель путем вибрации электрода с амплитудой в десятые доли мм за счет специальных устройств, что наряду с измельчением капель ускоряет плавление электродной проволоки.

Повышение сварочного тока при том же диаметре сварочной проволоки приводит к мелкокапельному переходу металла. Так как при этом катодное или анодное пятна начинают располагаться на боковой поверхности электрода, благодаря чему конец электрода приобретает конусообразную форму, и капли начинают образовываться на вершине конуса – перенос металла через дугу приобретает мелкокапельный характер.