4.2 Перенос электродного металла в сварочную ванну.

Характер переноса существенно влияет на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз, а также на устойчивость самого процесса сварки.

Через газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера – диметром от 6 – 7 мм до тысячных долей мм, а также в виде паров. Главные формы переноса: крупно- и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный без короткого замыкания, струйный.

Процесс крупнокапельного переноса в общем случае включает следующие моменты (рис.4.1):

а, б – образование капли на торце электрода;

в – появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода;

г – замыкание каплей дугового промежутка;

д – разрыв образованного мостика и возникновение дуги.

В период формирования капли на нее действуют несколько сил (рис. 4.2):

Сила тяжести Р способствует отрыву капель при сварке в нижнем положении и противодействует отрыву при потолочной сварке.

Электродинамические силы N_эд являются результатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного поля, оказывающего сжимающее действие на электрод (пинч-эффект). В результате их действия появляется дополнительная продольная сила N_доп, направленная от меньшего сечения капли, имеющей радиус r₀, к большему с радиусом r₁.

Рис. 4.1. Схема образования капли и переноса ее в сварочную ванну.

Рис.4.2. Схема действия сил на формирующуюся каплю

Результирующая электродинамическая сила, направленная вдоль оси электрода в сторону ванны:

N_эд = 1,02*10^-5I²ln(r₁/r₀) дин.

При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряжение падает, а ток резко возрастает, эта сила также интенсивно увеличивается, но оказывается направленной от центра мостика вверх и вниз. Действующая вниз сила будет больше силы, направленной вверх, так как поверхность ванны значительно больше, чем поверхность электрода. Поэтому электродинамическая сила действует в направлении отрыва капли, вытягивает ее и заставляет перемещаться вдоль оси дуги в сварочную ванну.

Сила поверхностного натяжения N_п.н. в процессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового промежутка поверхностное натяжение металла ванны втягивает каплю и тем способствует отрыву ее от торца.

При сварке толстопокрытыми электродами к главным силам добавляется сила N_г.п. давления газового потока и сила реакции газов N_р.г., выделяющихся из капли. При этом плавление обмазки несколько отстает от плавления стержня и на торце электрода появляется своеобразная «трубка» или «козырек». Выделяющиеся газы (СО₂, Н₂, СО, О₂ и др.) нагреваются, расширяются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне. Так как газовый поток симметричен относительно столба дуги, капля формируется в центре торцевой поверхности электрода.

При автоматической сварке под флюсом на каплю действуют те же силы, но несколько меняется направление и величина некоторых из них (рис. 4.2,б). Вследствие того, столб дуги наклонен, результирующая электродинамическая сила N_эд направлена по продольной оси дуги в сторону ванны. Под действием этой силы каля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток направлен от передней части сварочной ванны назад. Сила N_г.п. давления газового потока, суммируясь с силой N_р.г. реакции газов, выделяющихся из капли, создает результирующую силу N_г воздействия газовых потоков.

Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать.

Главной силой, удерживающей каплю на электроде, является сила поверхностного натяжения. Удельное поверхностное натяжение для различных металлов различно и зависит от их природы. Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных щелочноземельных металлов, свободный кислород и др. обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидкости и тем самым уменьшать силы поверхностного натяжения. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается.

Увеличение сварочного тока значительно влияет на силы отрыва:

1.Растут электродинамические силы N_эд;

2.Увеличивается сила N_г.п. давления газовых потоков;

3.Нарастают процессы газообразования в капле и испарения.

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель плотности тока в электроде. При некотором его значении, называемом критическом, капельная форма переноса переходит в струйный. Подобная форма переноса наблюдается в аргоне и его смеси с кислородом. Переход от капельного переноса к струйному объясняется увеличением диаметра столба дуги, когда активное пятно охватывает боковую поверхность электрода. Тогда конец электрода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос.

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем меньше капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой. Однако в таком случае время существования капель уменьшается, а потому снижается и полнота протекания реакций.

А.А.Ерохин изучал влияние режима сварки на частоту перехода капель и время их существования на торце электрода при ручной электросварке. При увеличении тока от 110 до 300 А удельная поверхность капель изменяется незначительно, но время существования капли на торце электрода уменьшается в 1,6 раза. Увеличение напряжения на дуге в интервале 14 – 27 В уменьшает удельную поверхность капель в 2,2 раза, увеличивая время их существования в 8,3 раза. Таким образом, на развитие реакций в каплях особенно сильно сказывается напряжение на дуге.

При электрошлаковой сварке применяют большие плотности тока (100 – 120 А/мм²), поэтому нагрев электрода более интенсивный. Погруженный в шлаковую ванну, он плавится не только с торца, но и с боковой поверхности, приобретая заостренную форму. Формируясь, капля увеличивается за счет расплавления конца электрода и стекания металла по боковой поверхности электрода. На каплю действуют те же основные силы: сила тяжести, электродинамическая сила и сила поверхностного натяжения, зависящая от свойств жидкого шлака.

С увеличением размера капли на конце электрода возрастают силы тяжести и поверхностного натяжения. Вблизи границы капли с твердым металлом электрода появляется шейка. Плотность тока в ее сечении возрастает, что приводит к увеличению электродинамической силы. Под действием этой силы капля приобретает некоторое ускорение. Жидкий шлак тормозит движение капли и приобретает часть ее импульса. В связи с торможением средне количество капель на единицу длины пути возрастает. При этом возможно слияние капель между собой, что приводит к изменению проводимости шлаковой ванны.

На размер переносимых через шлак капель влияет величина тока, напряжение дуги, диаметр электродной проволоки, химический состав электродной проволоки и шлака. Уменьшение сварочного тока снижает температуру торца электрода и величину электродинамической силы, что приводит к укрупнению капель. Повышение напряжения вызывает уменьшение размера капель.