книги из ГПНТБ / Фоминых В.П. Электросварка учеб. для проф.-техн. училищ

дуговой сварке алюминия отрицательно действует' на процесс. Устойчивость горения сварочной дуги, питаемой переменным током, ниже, чем дуги, питаемой постоян­ ным током. Это объясняется тем, что в процессе перехо­ да тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. В момент угасания дуги снижается температура дугового проме­ жутка, вызывающая деионизацию газов столба дуги. Одновременно с этим падает и температура активных пятен. Температура особенно падает на том активном пятне, которое расположено на поверхности сварочной ванны,.вследствие отвода тепла в изделие. В связи с теп­ ловой инерционностью процесса падение температуры не­ сколько отстает по фазе от перехода тока через нуль. Зажигание дуги из-за пониженной ионизации дугового промежутка в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении между электродом и изделием, называемом пиком зажигания. Если катод­ ное пятно находится на основном металле, то в этом слу­ чае величина пика зажигания несколько выше. На вели­ чину пика зажигания влияет эффективный потенциал ионизации: чем больше эффективный потенциал иониза­ ции, тем выше должен быть пик зажигания. Если в сва­ рочной дуге находятся легко ионизируемые элементы, пик зажигания снижается и, наоборот, он увеличивается при наличии в атмосфере дуги ионов фтора, которые при соединении с положительными ионами легко образуют нейтральные молекулы.

К основным преимуществам дуги переменного тока следует отнести: относительную простоту и меньшую стоимость оборудования, отсутствие магнитного дутья и наличие катодного распыления оксидной пленки при аргоно-дуговой сварке алюминия. Катодное распыле­ ние — это процесс бомбардировки сварочной ванны по­ ложительными ионами в тот момент, когда изделие бы­ вает катодом, за счет чего разрушается окисная пленка.

Влияние магнитного поля и ферромагнитных масс на сварочную дугу

В сварочной дуге столб дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электриче­ ский ток и который под действием электромагнитного поля может изменять свою форму. Если будут созданы

40

условия для взаимодействия электромагнитного поля, возникающего вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными полями, с собственным полем сварочной це­ пи, а также с ферромагнитными материалами, то в этом случае наблюдается отклонение дугового разряда от пер­

(рис. 19, а).

2. На столб сварочной дуги действует несимметрич­ ное магнитное поле, которое создается током, протека­ ющим в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токопроводу (рис. 19,6).

Рис. 20. Влияние наклона электрода на отклонение дуги

Существенное значение имеет и угол наклона элект­ рода, который также вызывает отклонение дуги (рис. 20). Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы: массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую маг-

41

ннтную проницаемость, чем воздух, а магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопротивление, поэтому дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда

Рис. 21. Влияние ферромагнитных масс на от­ клонение дуги при сварке:

а — в сторону массивной детали, б — при выполнении углового шва, а — при выполнении стыкового шва

вразделку, г — при выполнении стыкового шва

отклоняется в ее сторону (рис. 21). Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, путем временного размещения ферромагнитного матери-- ала для создания симметричного поля и заменой посто­ янного тока переменным.

Перенос расплавленного металла через дуговое пространство

При переносе расплавленного металла действуют си­ лы тяжести, поверхностного натяжения, электромагнит­

При сварке в нижнем положении сила тяжести играет положительную роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в вертикальном и особенно в потолоч-

42

ном положениях она затрудняет процесс переноса элект­ родного металла.

жидкого металла ванны при сварке в потолочном поло­

ся в том, что электрический ток, проходя по электроду, образует вокруг него магнитное силовое поле, которое оказывает на поверхность электрода сжимающее дейст­ вие, стремящееся уменьшить поперечное сечение элект­ рода. На твердый металл магнитное силовое поле не влияет. Магнитные силы, действующие нормально к по­ верхности расплавленной капли, имеющей сферическую форму, оказывают на нее значительное влияние. С уве­ личением количества расплавленного металла на конце электрода под действием сил поверхностного натяжения, а также сжимающих магнитных сил на участке между расплавленным и твердым электродным металлом Об­ разуется перешеек (рис. 22). По мере уменьшения сече­ ния перешейка резко возрастает плотность тока й усили­ вается сжимающее действие магнитных сил, стремящих­ ся оторвать каплю от электрода. Магнитные силы имеют минимальное сжимающее действие на шаровой поверх­ ности капли, обращенной к расплавленной ванне. Это объясняется тем, что плотность тока в этой части дуги и на изделии небольшая, поэтому сжимающее действие магнитного силового поля также небольшое. Вследствие

43

t

этого металл переносится всегда в направлении от элект­ рода малого сечения (стержня) к электроду большого сечения (изделию). Следует отметить, что в образовав­ шемся, перешейке вследствие увеличения сопротивления при прохождении тока выделяется большое количество тепла, ведущее к сильному нагреву и кипению перешей­ ка. Образовавшиеся при этом перегреве пары металла в момент отрыва капли оказывают на нее реактивное дей­ ствие— ускоряют ее переход в ванну. Электромагнитные силы способствуют переносу металла во всех простран­ ственных положениях сварки.

С и л а в н у т р е н н е г о д а в л е н и я г а з а возни­ кает в результате химических реакций, протекающих тем активнее, чем больше будет перегрет расплавленный ме­ талл на конце электрода. Исходными продуктами для об­ разования реакций являются газы, причем объем обра­ зующихся газов в десятки раз превосходит объем участ­ вовавших в реакции соединений. Отрыв крупных и мелких капель от конца электрода происходит как след­ ствие бурного кипения и удаления образовавшихся газов из расплавленного металла. Образование брызг на ос­ новном металле также объясняется взрывообразным дроблением капли, когда капля переходит через дуговой промежуток, так как в этот момент усиливается выде­ ление из нее газов, и некоторая часть капли вылетает за пределы сварочной ванны. Сила внутреннего давления газов главным образом перемещает каплю от электрода к изделию.

Основные показатели сварочной дуги

Коэффициент расплавления. При сварке металла шов образуется вследствие расплавления присадочного и проплавления основного металла.

Расплавление присадочного металла характеризуется коэффициентом расплавления

44

.Коэффициент расплавления зависит от состава про­ волоки и покрытия электрода, веса покрытия, а также рода и полярности тока.

Коэффициент потерь. Коэффициент характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение и окисление.

Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и ее покрытия, но также и от режима сварки и tuna сварного соединения. Коэффициент потерь возрасг тает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке втавр, с разделкой кромок, чем при наплавке.

Коэффициент наплавки. Для оценки процесса на­ плавки вводят понятие коэффициента наплавки:

и диаметр электрода связаны следующей зависимостью:

45

кого тока выражают также следующей опытной форму­ лой:

нако при значительном увеличении сварочного тока для применяемого диаметра электрода последний может быстро нагреваться теплом Ленца—Джоуля, что резко понизит качество сварного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. Необходимо отметить, что перегрев электрода увеличи­

где V — скорость перемещения дуги (скорость сварки),

см/сек.

Погонная энергия — это количество тепла в калориях, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика.

Полную тепловую мощность сварочной дуги прибли­ женно считают равной тепловому эквиваленту ее элект­ рической мощности

Количество тепла, введенное сварочной дугой в изде­ лие в процессе его нагрева за единицу времени, назы­ вается эффективной тепловой мощностью сварочной ду­ ги, которая является суммой тепловой энергии, выделя­ ющейся в пятне дуги на изделии, вводимой в изделие

40

при теплообмене со столбом дуги и пятном на изделии и поступающей с каплями расплавленного флюса, элект­

Откуда

ного в металл тепла к тепловому эквиваленту электри­ ческой мощности дуги. Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообме­ на в дуговом промежутке по отношению к нагреву ме­ талла изделия и зависит в основном от способа сварки.

На рис. 23 приведен тепловой баланс тепла выделяе­ мый дугой, из которого видно, что более полно исполь­ зуется тепло дуги при автоматической сварке под флю-

47

сом. При увеличении длины дуги эффективный к. п. д. падает и возрастает с углублением дуги в ванну. При сварке металлическими электродами этот коэффициент мало зависит от рода, полярности и величины сварочно­ го тока.

3.В результате каких явлений происходит ионизация воздушно­ го промежутка между электродом и изделием?

4.Как определить коэффициенты расплавления, наплавки и по­

терь?

5.Что называется погонноіі энергией?

Г Л А В А IV

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

§ 9. ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИИ СВАРКИ

Кристаллизация металла шва. Кристаллизация жидкого металла при охлаждении начинается с непол­ ностью оплавленных зерен основного металла, располо­

После затвердения металла шва (кристаллизации) на участках расплавления образуются зерна, состоящие частично из основного металла и металла шва, обеспечи­ вающие в сварном соединении непрерывную металличе­ скую связь «основной металл — шов — основной ме­ талл». При движении сварочной дуги вдоль сваривае­ мых кромок в передней части ванны происходит процесс плавления, а в тыльной — процесс кристаллизации. Та­ ким образом, происходит формирование сварного шва. Протяженность сварочной ванны зависит от типа источ­ ника тепла, его тепловой мощности, режимов сварки н теплофизических свойств свариваемого материала.

Диссоциация простых и сложных газов. В резуль­ тате столкновений и ударов в зоне высокой температуры сварочной дуги происходит распад молекул газа на ато-

48

ухудшая его свойства: снижают его пластичность и по­ вышают хрупкость.

В состав многих покрытий и флюсов вводится плави­ ковый шпат CaF2 , который, разлагаясь при высокой тем­ пературе, выделяет фтор (CaF2 -> CaF-f-F). Выше уже отмечалось, что фтор ухудшает условия горения свароч­ ной дуги вследствие большого сродства к электрону. При температуре дуги порядка 6000°К диссоциация фтора достигает очень больших размеров. Однако диссоцииро­ ванный фтор выполняет весьма важную положительную

С увеличением температуры наряду с разложением большого количества карбоната кальция происходит также диссоциация углекислого газа

2 С 0 2 2СО + 0 2 .

§10. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА

СГАЗАМИ, СЕРОЙ И ФОСФОРОМ

Взаимодействие кислорода с расплавленным метал­ лом сварочной ванны. В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.

При изучении реакций, протекающих в сварочной ван­ не, следует учитывать возможность окисления жидкого металла свободным (молекулярным и атомарным) кис­ лородом газовой фазы, кислородом, находящимся на свариваемых кромках в виде окислов и шлаков, кислоро­ дом, растворимым в металлической ванне и химически активных шлаках, которые вступают в процессе сварки