Методическое пособие 472

с различными типами покрытий имеют различный характер переноса в зависимости от тока. Электроды карбонатнофлюоритового типа (УОНИ-13/45) в широком диапазоне режимов на обратной полярности имеют крупнокапельный перенос металла. Это объясняется большим поверхностным натяжением и, кроме того, встречным направлением осевой составляющей электромагнитной силы [9,18]. На прямой полярности масса жидкого металла на конце электрода примерно соответствует массе капли при обратной полярности. Но масса отрывающейся капли меньше, и число их значительно повышается. Это объясняется высокой плотностью тока в катодном пятне, что способствует появлению сил, препятствующих отрыву капли и блужданию самого пятна, в результате чего жидкий металл на торце сильно раскачивается и от него отделяются мелкие капли [18].

У электродов рутилового типа на прямой и обратной полярности большое влияние на перенос оказывает величина сварочного тока. Это объясняют значительно меньшим поверхностным и межфазным натяжением металла на границе со шлаком, чем у электродов карбонатно-флюоритового типа. При малой плотности тока металл переносится крупными каплями. С увеличением плотности тока масса отделяющихся капель снижается, что связывают с повышением температуры капель и снижением вследствие этого поверхностного натяжения [18]. Это влияет на химический состав наплавленного металла.

В углекислом газе на обеих полярностях недостижим мелкокапельный перенос [9,18]. Это объясняется сжатием столба и активных пятен, вызванным диссоциацией углекислого газа. Теплопроводность СО2 при этом сильно возрастает, что дополнительно охлаждает столб дуги и сжимает его [9,38].

При сварке порошковой проволокой [39] отмечено весьма слабое влияние величины тока на массу капель. Это связывают с действием реактивных сил, вызванных сжатием столба дуги и активных пятен вследствие диссоциации водорода и паров, образующихся при разложении органических материалов и кристаллизационной влаги минералов, входящих в шихту.

13

Реактивное давление паров может существенным образом влиять на перенос электродного металла. Его можно вычислить по формуле

где Д - коэффициент пропорциональности, Д= 3.02 10-3 ( 1a ) ;

Uэ - эффективное падение напряжения у электрода в

вольтах;

qn - скрытая теплота испарения ,Вт сек/г;

V - удельный объем паров металла при температуре кипения ( для стали 4,4 103см3/г)

iап - плотность тока в активном пятне.

Величина реактивного давления паров сильно зависит от плотности тока в активных пятнах. Плотность тока в активном пятне катода для стали приблизительно оценивается величиной 5000 А/cм2 [9]. Плотность тока в активном анодном пятне значительно меньше и для дуг, горящих в аргоне и на воздухе, может быть принята равной 1500 А/см2 [40]. Отсюда видно, что на прямой полярности реактивное давление паров значительно больше. При переходе дуги в сжатое состояние плотность тока в активных пятнах увеличивается, что вызывает увеличение реактивных сил. При сварке в СО2 реактивное давление паров становится одним из главных факторов, определяющих перенос. При сварке порошковой проволокой реактивной силой давления паров также пренебрегать нельзя [ 18 ]. То же самое относится к сварке покрытыми электродами.

Дополнительную силу при сварке на прямой полярности может вызвать реактивное давление ионов, нейтрализующихся на поверхности катода. В работе [9] получены выражения для реактивного давления ионов, когда они отражаются обратно в столб дуги в направлении оси электрода или расширяются в полупространстве:

Pi = 1,15 10-4 Iн-2/3

Pi =5,6 10-5 Iн2/3

14

Истинное давление должно находиться между этими значениями. Из-за отсутствия точных экспериментальных данных действие нейтрализовавшихся на катоде ионов не учитывается ввиду того, что оно считается небольшим по величине.

1.1.3. Влияние переноса на кинетику плавления электрода

Принудительное стряхивание капель механическим путем увеличивает скорость плавления в 1,2 1,6 раза [25]. Этому способствует также возрастание разности температур в приэлектродной области, так как после сброса поверхность электрода более длительное время имеет температуру ниже температуры кипения металла. Увеличение Т приводит к увеличению приэлектродного падения напряжения, а следовательно и мощности на плавление. Такой же эффект достигается и при импульсном питании по сравнению с питанием непрерывным током в закритической области режимов. При импульсном питании после отрыва капли температура приэлектродной области значительно ниже, так как отрыв происходит по изотерме, близкой к температуре плавления, и только тонкая пленка на торце остается при температуре кипения. При непрерывном струйном режиме приэлектродная область разогрета значительно сильнее.

1.1.4. Влияние дугового напряжения (длины дуги) на перенос

Оптимальное формирование шва, устойчивое горение дуги при сварке плавящимся электродом без коротких замыканий происходит на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос. Многими исследователями [34,35,36,40,41,42] отмечается решающая роль величины тока на характер переноса. Однако на характер переноса влияет и величина дугового напряжения. В работе [43] отмечено, что при сварке в аргоне плавящимся электродом на характер переноса оказывает влияние величина тока и напряжения дугового промежутка. Переход к струйному режиму происходит при увеличении напряжения дугового промежутка до вполне определенной величины для данных условий, если значение тока соответствует критическому значению. Более подробно

15

влияние напряжения исследовано в работе [44]. В ней показано, что при критическом значении сварочного тока мелкокапельный перенос достижим только при дуговом напряжении выше определенной величины и делается вывод, что при увеличении тока (скорость подачи проволоки) напряжение дугового промежутка должно быть также увеличено до значения соответствующего току по статической характеристике, чтобы сохранить длину дугового промежутка.

Влияние длины дугового промежутка в конкретных условиях на характер переноса изучено сравнительно мало. В работах [36,45] влияние дугового напряжения объясняется влиянием длины дуги на форму столба. При удлинении дуги активное пятно на изделии увеличивается и столб дуги принимает форму усеченного конуса, расширяющегося к изделию (то есть возникает осевая составляющая электродинамической силы, действующая на отрыв капли). В столбе появляются газовые потоки, также стремящиеся оторвать каплю за счет аэродинамического качества.

При сварке порошковой проволокой рутилового типа удлинение дуги приводит к увеличению частоты перехода капель и снижению их массы. Это объясняют [39] значительным повышением парциального давления кислорода из-за подсоса воздуха, что увеличивает окисление капель и снижает поверхностное натяжение.

1.2. Принципиальная возможность импульсного управления плавлением и переносом при сварке порошковой проволокой и проволокой сплошного сечения в СО2

Анализ факторов, влияющих на плавление и перенос электродного металла, показывает, что для сохранения стабильности горения дуги, формирования шва и протекания металлургических реакций в ванне, необходимо стабилизировать процесс на стадии каждой капли, так как отклонение параметров режима от заданных может существенным образом изменить характер переноса и условия ввода тепла в электрод, что в свою очередь, окажет влияние на свойства сварного соединения. Особенно это важно при наличии внешних возмущений, как случайных, так и искусствен-

16

но создаваемых (например, поперечные колебания электрода, модуляция скорости подачи электрода или длины дугового промежутка и так далее), а также при изменении режима сварки. С этой точки зрения, необходим процесс, при котором регулирование сварочного тока, соответствующего скорости подачи электрода, не должно изменять параметров режима микропроцессов, то есть последние должны протекать при номинальных параметрах для данного электрода независимо от режима сварки.

В этом отношении большие возможности представляет метод импульсного управления процессом сварки на стадии каждого микропроцесса. Способ импульсного управления переносом при сварке плавящимся электродом в инертных газах разработан в ИЭС им. Е.О. Патона [1] и в настоящее время получил широкое распространение в промышленности. Согласно этому способу, при оптимальном процессе расплавление капли происходит при небольшом токе во время паузы между импульсами, затем при наложении кратковременного импульса с большой амплитудой происходит отделение капли под действием электромагнитных сил и ускоренный перенос ее в сварочную ванну в любом пространственном положении. Недостатком этого способа является то, что при наличии возмущений по длине дугового промежутка расплавление каждой капли будет происходить при различной величине тока и напряжения даже при наличии обратной связи, контролирующей величину энергии на расплавление каждой капли.

Если в аргоне импульсное управление переносом хорошо исследовано как теоретически, так и экспериментально, то относительно возможности импульсного управления при сварке порошковыми проволоками и проволоками сплошного сечения в СО2 вопрос остается недостаточно изученным. И в то же время известно, что разработка методов управления переносом металла при сварке в СО2 одна из наиболее актуальных задач сварочной техники [18].

Как известно [18,47,48], положительный эффект при наложении импульсов достижим только при наличии расширения токоведущего сечения в направлении столба дуги. Такое расшире-

17

ние имеет место, когда плотность тока в столбе и анодном пятне ниже чем в электроде, что имеет место в аргоне. Решающую роль, при прочих равных условиях, на параметры столба дуги оказывает теплопроводность защитного газа или окружающая среда, а также энергия, затрачиваемая на диссоциацию многоатомных молекул защитного газа [9,35].

Этим объясняется невозможность достижения управляемого переноса при защите сварочной дуги газами с многоатомными молекулами ( СО2, Н2, N2 ) [9,49]. Поэтому при сварке в СО2 и самозащитными порошковыми проволоками, у которых защита осуществляется СО2, выделяющимся при разложении карбонатов (у проволок карбонатно-флюоритового типа) или смесью оксидов углерода и паров воды при разложении органической составляющей шихты (у проволок рутил-органического типа) путем наложения импульсов с параметрами достаточными для отделения капли в аргоне, не удается достигнуть того же эффекта.

Основным критерием появления осевой составляющей электромагнитной силы, отрывающей каплю от электрода, является увеличение площади анодного пятна до размеров, превышающих сечение электрода, то есть переход части анодного пятна на боковую поверхность электрода. Такое явление наблюдается в сварочных дугах с низким потенциалом ионизации дугового газа. Считается, что сварочная дуга с плавящимся электродом горит в парах металла электрода [25,49,50], поэтому при всех прочих равных условиях потенциал ионизации дугового газа и площадь анодного пятна определяются не потенциалом ионизации защитного газа, а потенциалом ионизации паров электродного материала и теплофизическими свойствами газа.

18

На рис. 1-2 приведены кривые, взятые из [51], характеризующие влияние температуры на теплопроводность некоторых газов в ионизированном состоянии. В области температур примерно до 5000 К теплопроводность СО2 во много раз превосходит теплопроводность аргона, а в области (5000 8000) К она даже меньше, чем у аргона.

Периферийные области столба дуги в СО2 значительно интенсивнее отводят тепло дуги, чем при защите аргоном, а токопроводящий канал и анодное пятно сильно сжаты. При всех прочих равных условиях плотность тока в анодном пятне в СО2 в 2 2,5 раза больше, чем при защите аргоном [52]. Поэтому плотность тока в анодном пятне и примыкающем к нему столбе выше, чем в электроде, и электродинамическая сила вместе с реактивным давлением паров прижимает каплю к электроду.

Чтобы осевая составляющая электродинамической силы изменила направление и действовала на отрыв капли от электрода, необходимо расширить анодное пятно и сечение токоведущего канала до размеров, больших сечения электрода. В аргоне это сделать значительно проще, что и используется на практике. В углекислом газе для осуществления этой цели необходимо ввести в столб дуги большее количество энергии и притом более концентрировано, так как здесь наряду со значительно большим теплоотводом электромагнитная сила должна дополнительно скомпенсировать реактивное давление паров. Следовательно, при защите углекислым газом энергия импульсов должна быть в несколько раз выше по сравнению со сваркой в аргоне. Однако, как

19

известно [49], импульсы с такой энергией вызывают ускоренное плавление электрода, удлинение и погасание дуги.

Более перспективным представляется такой процесс, при котором вся энергия, необходимая для расплавления, вводится в

импульсе, а в паузе вводится энергия, необходимая в общем случае только для поддержания непрерывности горения дуги. Импульсное питание сварочной дуги позволяет осуществить такой процесс. Сущность его заключается в следующем. Сварочную дугу питают импульсами тока, в промежутки между которыми горит дуга небольшой мощности, назначение которой наряду с поддержанием непрерывности горения определяется рядом факторов. Количество энергии, необходимой для расплавления одной или нескольких капель, образующихся за время импульса, можно дозировать с высокой точностью, поскольку оно определяется длительностью импульса. В работах [11,53] изложенные выше соображения подтверждены на практике при сварке плавящимся электродом в аргоне, углекислом газе и самозащитной порошковой проволокой. Имеются работы других авторов, которые на практике получили эффект переноса в углекислом газе при наложении мощных импульсов [51,54,55].

При импульсном питании сварочной дуги в зависимости от длительности импульсов, причем подразумевается, что амплитуда импульсов тока несколько больше критического значения, возможны четыре режима:

1.Режим с малой длительностью импульсов. Энергия одного импульса недостаточна для расплавления капли. Расплавление

иотрыв капли происходит в результате воздействия некоторого числа импульсов. Количество импульсов из технологических соображений можно задавать достаточно точно.

2.Режим с длительностью импульсов, достаточной для расплавления и переноса одной капли. Отрыв капли происходит в конце импульса.

3.Режим с большой длительностью импульсов. За время импульса расплавляется и переносится несколько капель, то есть на короткое время создается струйный режим.

4.Режим с переменной длительностью импульсов. После пачки импульсов с малой длительностью, во время которых дуга

20

горит в динамическом режиме, следует один импульс с большой длительностью, обеспечивающий перенос расплавленной капли.

В зависимости от условий сварки и технических средств реализации процесса все режимы могут являться рабочими. Наиболее оптимальным является второй режим. Кинетика плавления для этого режима может быть представлена серией рисунков (рис.1-3), отображающих последовательно различные фазы плавле-

ния, формирования и переноса капли. Пока ток в импульсе имеет значе-

ние ниже критического, расплавление и рост капли происходит как при сварке непрерывным током. Отличием является лишь рост площади, занимаемой активным пятном на торце электрода. По мере

нарастания тока в импульсе анодное пятно постепенно занимает торцевую поверхность электрода и охватывает часть боковой поверхности электрода. При этом часть тепла вводится через расплавленный металл на торце электрода, а остальное - через неоплавленную боковую поверхность электрода. Благодаря этому снижается перегрев капли, то есть удается достигнуть того же эффекта, что и при сварке на прямой полярности. Когда сварочный ток нарастает до критического значения, электродинамические силы превосходят результирующую сил, удерживающих каплю, и формируют расплавленный металл в каплю, образуется шейка и происходит отрыв капли, которая летит строго в сварочную ванну.

1.3. Влияние параметров импульсного питания

При импульсно-дуговой сварке плавящимся электродом основными параметрами процесса являются следующие: средние значения тока и напряжения дугового промежутка, величины напряжения и тока в импульсе, величины напряжения и тока в паузе, длительность импульсов, длительность пауз или частота следования импульсов и форма импульсов.

21

Количественное определение всех этих параметров представляет известные трудности, которые еще в большей степени увеличиваются в случае сварки в СО2 и самозащитной порошковой проволокой. Поэтому дадим качественную оценку влияния указанных параметров на процесс сварки.

1.3.1.Амплитуда импульсов тока

Вработе [51] отмечено, что во время импульса капля сильно сжата в горизонтальной плоскости. Это можно объяснить тем, что анодное пятно занимало торец электрода, что является границей изменения направления результирующей электромагнитной силы. Реактивное давление паров испаряющегося металла с анода прижимает каплю к электроду.

Для придания стабильности процессу и более благоприятного соотношения сил, действующих на каплю, при сварке самозащитной порошковой проволокой и проволокой сплошного сече-

ния в СО2, обеспечивающего принцип импульс-капля, необходимы такие параметры импульсов, чтобы анодное пятно занимало не только торец, но и часть боковой поверхности электрода. При таком расположении анодного пятна линии тока искривляются сильнее, следовательно, больше получается составляющая электромагнитной силы, отрывающая каплю. Считая реактивное давление паров направленным перпендикулярно к поверхности испарения, имеем, что только часть его, приложенная к торцу, препятствует отрыву капли, другая его часть, приложенная к боковой поверхности, наоборот способствует отрыву капли. Если анодное пятно занимает часть торцовой поверхности, то капля во время импульса подбрасывается вверх.

1.3.2.Длительность импульсов тока

При всех прочих равных условиях длительность импульса определяет количество энергии, вводимой в дугу во время импульса. В общем случае, при импульсно-дуговой сварке с управ-

22