2.7.4. Вращающаяся дуга

Эффект перемещения дуги в поперечном внешнем магнитном поле используется для ее вращения с образованием конической или цилиндрической поверхностей.

Вращающаяся «конусная» дуга применяется для сварки коль­цевых швов малого диаметра, например соединения трубы с труб­ной доской (рис. 2.42), по оси которой располагается неплавящийся электрод. С помощью соленоида создается магнитное поле, па­раллельное оси электрода. При горении дуги «электрод - кромка» столб ее оказывается направленным поперек поля Н¯, что и вызывает вращение дуги. Частота вращения п прямо пропорциональна напряженно­сти поля Н и току дуги I и достигает обычно несколько тысяч оборотов в минуту. Сварка изделия происходит за несколько секунд, что соответствует 100-1000 оборотам дуги. Использова­ние вращающейся дуги весьма упроща­ет сварочную аппаратуру.

Применяют также не стержневой, а фигурный неплавящийся электрод, форма которого соответствует конфи­гурации свариваемой кромки. Сдвиг электрода относительно кромок изделия должен обеспечить взаимодействие столба дуги с поперечным внешним магнитным полем. Фигурным медным электродом удается свари­вать детали произвольной формы, что весьма перспективно при массовом производстве таких изделий, как конденсаторы, герме­тизированные изделия автоматики и т. д.

Способ сварки кольцевых швов труб вращающейся «бегущей» дугой заключается в том, что на концы труб надеваются два соле­ноида - катушки, включенные встречно (рис. 2.43). Благодаря этому в зазоре между трубами создается радиальное магнитное поле В (В = μ_aH). Если между торцами труб зажечь дугу, то на нее будет дей­ствовать тангенциальная сила. Движение дуги вначале ограничива­ется той скоростью, с которой может перемещаться по поверхности холодной трубы катодное пятно. По мере разогрева торцов скорость движения дуги v_CB возрастает, достигая весьма больших значений. После выключения дуги осуществля­ется осадка труб.

Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну рас­плавленного металла можно исполь­зовать не только для регулирования глубины проплавления, но и для управления положением сварочной ванны в зазоре стыка (см. рис. 2.41). Для этого необходимо создать в ме­талле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Попереч­ное внешнее магнитное поле можно использовать также для управления формированием шва в разных пространственных положениях. При многодуговой сварке в одну сварочную ванну и при трехфазной сварке магнитогидродинамические эффекты даже в отсутствие внешнего магнитного поля по­зволяют существенно расширить технологические возможности процесса. Магнитное воздействие на сварочную ванну эффективно также при электрошлаковом и других методах сварки.

2.8. Перенос металла в сварочной дуге

2.8.1. Виды переноса металла

В зависимости от условий сварки - сварочного тока I и его плотности j, формы кривой тока и т. д. - можно выделить пять ос­новных видов переноса электродного металла в дуге с плавящимся электродом (табл. 2.4).

Характер переноса металла оказывает значительное влияние на устойчивость сварочного процесса, разбрызгивание металла, фор­мирование шва и интенсивность металлургических процессов в дуге и сварочной ванне. В большинстве случаев, особенно при ме­ханизированной сварке, предпочтение отдают струйному перено­су, обеспечивающему лучшее качество шва. Перенос металла на­блюдают обычно при помощи скоростной киносъемки или съемки в рентгеновских лучах и синхронной индикации на экране осцил­лографа.

Изменение размеров капель и вида переноса металла зависит от соотношения сил, действующих на жидкую каплю на торце электрода. Основные из них: силы тяжести; силы поверхностного натяжения; электромагнитные силы в жидком проводнике; силы реактивного давления паров; электростатические силы; силы дав­ления плазменных струй и др.

Силы тяжести способствуют переносу металла при сварке в нижнем положении и препятствуют при сварке в потолочном по­ложении. Они оказывают наибольшее влияние на перенос элек­тродного металла при сварке на малых токах, когда электродина­мические силы еще сравнительно невелики.

Силы поверхностного (межфазного) натяжения придают кап­лям жидкости сфероидальную форму, удерживают капли на «по­толке», втягивают капли металла в жидкую сварочную ванну. Си­лы поверхностного натяжения создают внутри капли жидкости радиусом R избыточное давление

(2.97)

Здесь α - коэффициент поверхностного натяжения, который равен отношению силы ΔF, действующей на границу поверхностной пленки жидкости, к длине этой границы Δ l, т. е.

(2.98)

Значения коэффициента поверхностного натяжения α для различ­ных материалов приведены ниже:

Материал Mg Zn Al Cu Fe Ti Mo W Сталь 18-8 Сварочный

шлак α, Н/м 0,65 0,77 0,9 1,15 1,22 1,51 2,25 2,68 l ,10*/2,50** 0,3-0,4

^*С содержанием азота 0,02 %. ^**С содержанием азота 0,23 %.

Чем меньше α, тем мельче капли жидкости и вероятнее переход к мелкокапельному и струйному переносу металла.

Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверхностное натяжение. Например, кислород сни­жает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инерт­ных газах в смесь добавляют до 5 % кислорода. По данным И.К. Походни и A.M. Суптеля, при сварке на токе обратной поляр­ности анодное пятно стабильно на торце жидкой капли и с увели­чением тока его плотность остается постоянной, а размер пятна растет. Поэтому перегрев капли и ее кипение наступают при меньших токах, чем при сварке на постоянном токе прямой поляр­ности, когда катодное пятно беспорядочно перемещается. С увеличением плотности тока, например при j > 20 А/мм² , может наблюдаться так называемый электрокапиллярный эффект, со­провождающийся понижением а и способствующий струйному переносу металла.

Электромагнитные силы пинч-эффекта сильно влияют на пе­ренос металла, особенно при больших токах, когда они способ­ствуют появлению плазменных струй от мест сужения столба дуги. Поэтому, например в слаботочных дугах, где эти силы малы, преоб­ладает крупнокапельный перенос металла, а в сильноточных -струйный. Появлению струйного переноса металла способствует также перегрев капель, который достаточно велик при сварке (осо­бенно при сварке на постоянном токе обратной полярности).

Струйный перенос металла особенно характерен для газоэлек­трической сварки. Он сопровождается образованием конуса жид­кого металла на конце электрода. При этом средний размер капель монотонно уменьшается с увеличением тока примерно по гипер­болической кривой. При некотором значении силы тока, называе­мом критическим, которое при сварке на обратной полярности ниже, чем при сварке на прямой полярности, капельный перенос металла переходит практически в струйный (рис. 2.44).

Охват ду­гой конца электрода (анода) способствует струйному переносу ме­талла.

Реактивные силы давления паров обычно противодействуют начальному обрыву капли. Если реактивные силы имеют взрывной характер, то они могут сильно затруднить переход к струйному переносу. При сварке на постоянном токе обратной полярности давление паров меньше, чем при сварке на постоянном токе пря­мой полярности (так как U_a < U_k), и струйный перенос металла возникает при меньших токах. В.И. Дятлов определил реактивную силу истечения паров, действующую на каплю металла при сварке в среде СО₂ проволокой Св08. Оказалось, что так же, как и сила давления паров на сварочную ванну, она прямо пропорциональна квадрату сварочного тока

(2.99)

где коэффициент пропорциональности k ≈ (1...5)10^-7 Н/А² и

k < 3 • 10^-8 Н/А² - для сварки на постоянном токе соответственно прямой и обратной полярности.

Электростатические силы возникают вследствие большого градиента потенциала (напряженности электрического поля Е) в переходных областях дуги, особенно у катода, где Е_к может достигать 10⁴ ...10⁶ В/мм. В столбе дуги E_CT << Е_к, поэтому в нем соз­дается разность давлений и течение газа от катода (или анода) в столб дуги становится подобным «электрическому ветру» с за­ряженного острия. Разность давлений может быть оценена по формуле, аналогичной формуле (2.95) для магнитного давления:

(2.100)

где ε₀ ≈ 8,85 •10^-12 А • с/(В • м) - электрическая постоянная.

Давление Ар достигает значений 10... 100 Па. Например, элек­трическое поле высокой напряженности может деформировать металл сварочной ванны, вытягивая его в виде конуса от катода к аноду при сварке на токе обратной полярности.

При сварке в среде молекулярных газов (азота, углекислого газа) практически получить струйный перенос металла очень трудно. Это можно объяснить «стягиванием» пятна на поверх­ности капли (рис. 2.44, а) и увеличением степени сжатия свароч­ной дуги вследствие охлаждения ее при образовании «стержня» Диссоциации, который в этих газах появляется при сравнительно низких температурах.

Силы давления плазменных струй также могут сильно влиять на перенос металла в дуге. В некоторых случаях, например в Ме-дугах, мощная катодная струя к изделию вызывает отраженную анодную струю, которая, как отмечалось выше, может охватывать катодную струю. Такая анодная струя затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли металла в сторону или даже подъем ее над уровнем торца катода. Это особенно заметно, если катодная струя не охватывает электрод (как на рис. 2.44, а), а стягивается в катод­ном пятне на его конце, как, например, при сварке в СО₂.