Джерела нагрівання та

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Робота, яка витрачається на збільшення поверхні рідини на одиницю площі, називається питомим поверхневим натягом або коефіцієнтом поверхневого натягу σ (вимірюється у [Дж/м2] або [Н/м], оскільки

1 Дж = 1 Н×м). Значення цього коефіцієнта для більшості металів і сплавів відомі і наводяться в спеціальній літературі. Для специфічних матеріалів зварювальних дротів деякі з найбільш розповсюджених значень наведені в Додатках. Для металів, які контактують з газовим середовищем показник поверхневого натягу досить високий і може досягати 2,5 ×106 Н/м. Низь-

ковуглецеві сталі при температурі на 200...300 К більшій за температуру плавлення мають коефіцієнт поверхневого натягу на рівні

1,2...1,3 ×106 Н/м.

В схематичному випадку, який зображено на рисунку вище, крапля утримується на торці електрода поверхнею по його периметру ( 2p rел ), от-

же, сила поверхневого натягу буде: Pпн = 2p rел s

де: rел – радіус електрода.

Хімічна взаємодія розплавленого металу з газовим середовищем (наприклад, окислення при наявності в газовій фазі кисню) компенсує втрачені поверхневими атомами зв’язки і зменшує величину поверхневого натягу. Для заліза і його сплавів таке зменшення може сягати 20...30 %, а для активних металів ( Al , Ti ) ще більше (до 50 %).

При зварюванні покритим електродом або під флюсом крапля електродного металу потрапляє в умови контакту з рідким шлаком. В цьому випадку відбувається взаємодія між частками рідкого металу і рідкого шлаку, яка ще більше, ніж у випадку взаємодії з газом, компенсує поверхневим часткам втрачені зв’язки. Тому поверхневі частки металу не так сильно

321

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

втягуються всередину, а це еквівалентно зменшенню сил поверхневого натягу.

Для характеристики поверхневої енергії у випадку взаємодії поверхонь двох рідин (двох фаз) застосовують спеціальний показник, який називають коефіцієнтом міжфазного натягу ( sмф), який в залежності від типу металу, складу шлаку та інтенсивності взаємодії між ними може бути в 2...3, а іноді в 5…10 разів менший від величини поверхневого натягу чистого металу на границі з нейтральною газовою фазою ( σ).

Коефіцієнт міжфазного натягу для кожної пари метал-шлак визначають дослідним шляхом. При взаємодії рідкого металу низьковуглецевої сталі з розплавами (шлаками) розповсюджених марок зварювальних флюсів та електродних покриттів величина коефіцієнту міжфазного натягу складає приблизно sмф » 0,5...0,9 ×106 Н/м. В той же час сам розплавле-

ний шлак має своє значення поверхневого натягу, яке у зварювальних матеріалів, призначених для низьковуглецевих сталей, складає величину по-

рядку sш » 0,2...0,4 ×106 Н/м.

Силу поверхневого натягу визначають для такого випадку подібно до попереднього, тільки замість коефіцієнта поверхневого натягу вживають коефіцієнт міжфазного натягу:

Якщо крапля на торці електрода обволочена шлаком, тоді досить важко однозначно судити, як саме розподілені сили поверхневого натягу між металом і шлаком, тобто, яка сила поверхневого натягу переважає: металметал, метал-шлак чи шлак-шлак. Але, виходячи з того, як сильно зменшує розмір крапель наявність на їх поверхні навіть тонкої плівки шлаку можна припустити, що головну роль в утриманні крапель в цьому випадку відіграє все ж поверхневий натяг шлаку.

322

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Сила поверхневого натягу завжди утримує краплю на торці електрода, перешкоджаючи перенесенню електродного металу в зварювальну ванну. Але, з іншого боку, коли крапля виростає до таких розмірів, що торкається поверхні розплавленого металу зварювальної ванни або, коли з інших причин відбувається таке доторкання, тоді сила поверхневого натягу перетягує краплю з електрода до зварювальної ванни і сприяє, таким чином, перенесенню електродного металу.

Електромагнітна сила ( Pем )1

Природа виникнення і дії електромагнітної сили пінч-ефекту стосовно газового провідника (дуги) детально розглядалась вище. В рідинному провіднику наведені закономірності зберігаються, хоча й проявляються в меншій мірі, ніж у газовому середовищі.

Як показувалося раніше, магнітне поле струму, який проходить по провіднику, стискає його. В загальному вигляді електромагнітна сила пінч-

шому наближенні визначає як A = μ2 , де: μ - магнітна проникність сере-

довища, в якому діє сила пінч-ефекту.

Виходячи з того, що розпечені дугові гази та розплавлений метал не є феромагнетиками, можна приймати магнітну проникність середовища рів-

ною магнітній проникності вакууму ( m = 4p ×10−7 Гн/м). В той же час се-

ред фахівців поширене дещо інше значення коефіцієнта A , віднайдене ем-

піричним шляхом, і воно складає величину порядку: A » 0,5 ×10−7 Н/А2 (по В.І. Дятлову A≈0,005 дин/А2). Очевидно, що в цьому випадку або теорія

1 Іноді можна зустріти назви: електродинамічна, магнітоелектрична сила, або сила пінч-ефекту.

323

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

не враховує всі особливості утворення та дії сили пінч-ефекту, або практичні досліди не завжди спроможні досить чітко відділити дію сили пінчефекту від інших можливих та опосередковано враховують й інші силові фактори.

Якщо провідник рідкий, він, стискаючись під дією електромагнітної сили, витоньшується посередині, утворюючи шийку. Як тільки з’явилася така шийка, тоді, завдяки різниці перерізів по довжині провідника, з’являється осьова електромагнітна сила (вище це явище докладно пояснювалось), яка викликана перепадом густини струму в різних частинах провідника. У випадку, коли провідник симетричний (див. рис вище (а)), рівнодіюча осьової сили врівноважена, але, якщо провідник з будь-якої причини несиметричний (рис (б)), з’являється додаткова неврівноважена осьова сила, пропорційна перепаду перерізів і направлена від меншого пе-

де: S1 і S2 – відповідні площі перетину провідника, причому: S1 < S2 .

Поки провідник має однаковий переріз по довжині, електромагнітна сила Pем стискає його і, відповідно до закону Паскаля (рідина передає тиск у всі сторони однаково), діє вздовж осі провідника. Але при наявності перепадів величини перерізу або, коли в рідкому чи газоподібному провіднику з’являється вужче місце (в тому числі й під дією самої електромагнітної сили), тоді виникає сила Pем′ , яка направлена від меншого перерізу до бі-

льшого, вона ніби намагається розірвати найвужче місце провідника.

324

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Оскільки виникнення додаткової осьової сили пінч-ефекту в зв’язку з перепадами перерізів не заперечує існування основної стискаючої сили, яка обумовлена проходженням струму через провідник взагалі, то В. І. Дятлов пропонував визначати загальну електромагнітну силу, яка може діяти на краплю електродного металу, як суму цих сил:

(Pем )Σ = Pем [1 + 2ln (r2 r1 )]= Pем [1 + ln (i1 i2 )]

де: r1 , r2 та i1 , i2 − радіуси та густини струму у відповідних перері-

зах шляху проходження струму ( r1 < r2 ), ( i1 > i2 ).

Конфігурація провідників струму в зоні зварювання (електрод, крапля, активна пляма дуги, стовп дуги, зварювальна ванна) та співвідношення їх перерізів можуть бути досить різноманітними. При цьому вони сильно відрізняються як для різних режимів зварювання, так і для різних стадій існування краплі. Через це не можна однозначно судити про те, як саме, коли буде направлена рівнодіюча електромагнітних сил, буде вона сприяти чи перешкоджати переносу електродного металу.

Наприклад, у випадку, зображеному нижче на рисунку (а) активна пляма дуги на краплі більша за площею від перерізу шийки краплі. Це викликає розходження ліній струму (2) в краплі і встановлює напрямок дії електромагнітної сили (1) від електрода до виробу (від меншого перерізу до більшого), отже, сприяє перенесенню електродного металу. В іншому випадку (там же на рис. (б)) навпаки − активна пляма менша за переріз

325

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

шийки краплі. Це викликає сходження ліній струму (3) і електромагнітна сила (1) виявляється направлена в протилежну сторону − від виробу до електрода. Можливі й інші, більш складні комбінації ефективних перерізів струмопровідних областей в системі проходження струму на шляху від електрода через краплю, активні плями, стовп дуги до зварювальної ванни.

Різниця площ перерізу вдвічі означає для перерізів круглої форми різницю в радіусах в 1,41 рази. Але загальна сила пінч-ефекту збільшується при цьому в 1,7 рази. Щоправда в інших місцях на шляху струму в дузі зміна перерізів цілком може компенсувати виникаючі при цьому сили пінч-ефекту, оскільки залежно від співвідношень перерізів (біль-

ше→менше, чи менше→більше) може змінювати свій напрямок.

Загалом, вважається доведеним, що при крапельному та крупнокрапельному переносі рівнодіюча електромагнітних сил невелика і мало впливає на перенос або перешкоджає йому, а при дрібнокрапельному навпаки – сприяє відриву крапель від електрода. В той же час, можлива легка зміна напрямку дії електромагнітної сили в залежності від мінливих факторів дугового процесу та квадратична залежність цієї сили від величини струму приводять до того, що сама сила пінч-ефекту часто виступає вирішальним фактором формування того чи іншого типу переносу електродного металу в дузі. Це явище описується спеціальним показником критичного струму переходу до струменевого переносу (далі про це буде докладніше).

326

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

Реактивна сила ( Pре)

Реактивна сила виникає як сила віддачі при інтенсивному випаровуванні перегрітого металу з поверхні краплі або через інші впливи, аналогічні по своїй дії. Їх прийнято класифікувати на дві категорії.

а) Реактивна сила тиску металу, який випаровується при кипінні в зоні активної плями дуги (катодної чи анодної). Ця сила вважається пропорційною квадрату сили струму в дузі, через деякий коефіцієнт пропорційності:

(Pре )м = Bм I 2

б) Реактивна сила тиску відбитих від поверхні катоду нейтралізованих атомів та іонів, які бомбардують поверхню катода (якщо на краплі - катод). Ця сила теж приймається пропорційною квадрату струму в дузі:

(Pре )а−i = Bа−і I 2

Для спрощення аналітичних викладок сили (а) і (б) об’єднують разом в одну, яку називають просто реактивною силою ( Pре ), тоді:

327

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

де: ϕ − потенціал виходу електронів з катода;

gп − прихована теплота випаровування металу краплі;

Vк − питомий об’єм випаруваного металу при температурі кипіння і нормальному атмосферному тиску;

iак − густина струму в активній плямі (залежить від того, чи це ка-

тодна чи анодна пляма);

I − струм в дузі.

Наведена залежність дає змогу, ґрунтуючись на дослідних даних, обчислити значення коефіцієнту B . Результати таких дослідів та обчислень наведено нижче в таблиці (ефективні приелектродні падіння напруги Uе

обчислені за експериментальними даними визначення коефіцієнтів розплавлення).

Густина струму в катодній плямі значно вища, ніж в анодній, тому, коли крапля на електроді служить катодом (пряма полярність), вплив реактивної сили на перенесення електродного металу значно більший. Крім того і реактивний тиск іонів проявляє себе лише на катоді. Випаровування відбувається найбільш інтенсивно в області активних плям дуги. Можна вважати, що рівнодіюча реактивних сил прикладена в центрі активної плями. Пересування активної плями по поверхні краплі (особливо, хаотичне блукання катодної плями (іонізаційного простору) по поверхні катода) ви-

328

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

кликає зміну положення місця прикладення рівнодіючої реактивних сил і значну рухливість крапель.

Безвідносно до положення електрода та виробу в просторі (зварювання в нижньому чи в горішньому положенні, на горизонтальній чи вертикальній площині), реактивна сила завжди направлена від краплі до електрода і тому перешкоджає перенесенню електродного металу (сприяє утриманню краплі на торці електрода). Нерідко вона може досягати величин, сумірних з силою ваги краплі (або з силою поверхневого натягу) і тому досить сильно впливає на процеси переносу електродного металу при дуговому зварюванні.

Аеродинамічна сила

Аеродинамічна сила виникає при взаємодії краплі з потоками плазми в дузі. Як зазначалося вище, швидкість течії дугової плазми під дією електромагнітних полів може сягати десятків метрів за секунду, що при атмосферному тиску створює досить велике навантаження на перешкоди, які може зустріти на своєму шляху такий потік. Якщо уважно подивитись на наведений вище рисунок, то стає зрозумілим, що, коли крапля є катодом, то плазмовий потік зриває її з торця електрода або, по крайній мірі, сприяє відриву краплі від торця електрода. У випадку, коли крапля − анод, можуть спостерігатись протилежні явища. Плазмові потоки можуть перешкоджати відриву краплі від електрода або змінювати траєкторію вже відірваної краплі таким чином, що вона не потрапляє у зварювальну ванну взагалі.

Величина діючої аеродинамічної сили визначається аеродинамічним опором краплі газовому (плазмовому) потоку, а також складними для аналізу магніто-кінетичними силами, обумовленими незбалансованістю гідростатичних тисків всередині краплі і на поверхні розділу рідина-газ. Таким чином, аеродинамічна сила, якщо в загальному вигляді визначати її як спричинену аеродинамічним опором, виявляється пропорційною густині

329

В.М. Коперсак Теорія процесів зварювання-1. Джерела зварювального нагрівання та теплові процеси при зварюванні

дугового газу, швидкості його руху в потоці плазми та ефективній площі перерізу краплі, спроектованій на напрям газового потоку. Надійних, достовірних, а тим паче перевірених експериментально методик розрахунку дії аеродинамічної сили на краплю ще й досі немає. Тому обмежимось лише констатацією самого факту, що така сила існує і її вплив на характер перенесення електродного металу може бути досить суттєвим, особливо, при значних величинах зварювального струму і розмірах електродного дроту.

Електростатична сила

Об’ємний заряд приелектродних областей дуги, катодної чи анодної, може індукувати електростатичний заряд в поверхневих шарах відповідно катода чи анода. Цей індукований заряд буде обов’язково протилежного знаку, тому викликає притягання. Саме завдяки описаним явищам виникає електростатична сила, величина якої пропорційна величині індукованого поверхневого заряду та напруженості електричного поля об’ємного заряду. Ця сила прикладена перпендикулярно поверхні активної плями і направлена в сторону стовпа дуги. В катодній області дію електростатичної сили частково компенсує іонний тиск, але тонкі розрахунки показують, що будучи некомпенсованою, вона може досягати величин, сумірних з іншими силами, які діють на краплю, особливо, якщо крапля невеликих розмірів. Щоправда, будь-яке кількісне визначення цієї сили наштовхується на значні теоретичні труднощі та відсутність скільки-небудь достовірних експериментальних даних.

Сила внутрішнього тиску газоутворення

Сила внутрішнього тиску газоутворення лише опосередковано може називатися силою, яка діє на краплю, хоча часто-густо вона буває причиною зриву краплі розплавленого металу з торця електрода. Обставини виникнення і дії цієї сили такі.

330