Джерела нагрівання та

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

Метал краплі часто буває нагрітим до температури, майже рівної температурі кипіння, що приводить до утворення заповнених газами пустот всередині об’єму краплі, особливо в місці, де переріз краплі найменший і, отже, густина струму, який по ній проходить, найбільша (див. рис. нижче (а)). Крім того, в металі краплі можливі хімічні реакції з утворенням надмірної кількості газової фази. Наприклад, в низьковуглецевих сталях можлива реакція окислення вуглецю: С + О2 → СО . Продукт цієї реакції – чадний газ CO не розчиняється в сталі. Тому він повинен зібратись в пухирці і видалитись на поверхню рідкого металу, що теж сприяє утворенню газових пухирців всередині краплі. Наприклад, якщо сталь містить 0,05 % вуглецю, то в краплі такої сталі об’ємом 1 см3 при окисленні всього наявного вуглецю може утворитися до 40…70 см3 чадного газу CO . Отже, при

Така кількість газу, якщо вона утворюється досить швидко, не встигає покидати краплю шляхом самовидалення пухирців і може розривати краплю. Найбільш інтенсив-

но гази утворюються в найменшому перерізі краплі – там, де вона найсильніше нагрівається струмом. Таким чином, внутрішнє газоутворення виступає в цьому випадку безпосередньою причиною, яка відриває краплю розплавленого металу від електрода, тому може вважатися окремою особливою силою, яка сприяє перенесенню електродного металу в зварювальну ванну. Щоправда, більш-менш точне врахування такої причини відриву крапель електродного металу, як сили − досить утруднене.

331

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

Формування різних типів переносу як результат рівноваги сил, що діють на краплю

Експериментальні дані різних дослідників свідчать, що розмір крапель електродного металу найбільше залежить від таких факторів, як величина струму в дузі, наявність покриття на електроді і його тип, склад газової фази дуги, полярність струму (являється електрод анодом чи катодом).

Для того, щоб розмежувати ці фактори, виділимо щонайперше струм в дузі, як найбільш впливовий чинник, з огляду на те, що ряд сил, які діють на краплю, пропорційні другій степені струму. Тому розглянемо типові випадки рівноваги сил, які діють на краплю, в залежності від величини струму в дузі (або густини струму при постійному діаметрі електрода): при відносно невеликих значеннях струму, при збільшених значеннях струму і при великих струмах.

1. Невеликі значення струму, вільна дуга, крапельний перенос

Невисокі значення струму ( 50…150 А) характерні для вільної дуги (яка вільно розширяється) і мають місце, зазвичай, при дуговому зварюванні плавким електродом з покриттям або в середовищі активного захисного газу ( CO2 ). Для цього випадку характерний крапельний (або крупно-

крапельний) перенос електродного металу з короткими замиканнями або без них. З метою більшої наочності виключимо з розгляду ті моменти часу, коли крапля одночасно доторкається і до електрода і до зварювальної ванни (власне, короткі замикання) і розглянемо момент рівноваги краплі на торці електрода (див. рис.).

Будемо мати на увазі, що хоча по шляху електрод-крапля-стовп дуги проходить струм і на краплю діє стискаюча сила пінч-ефекту, вона не сягає значної величини при невеликих значеннях струму. Простий логічний аналіз показує також, що рівнодіюча електромагнітних сил ( Pем ), яка зале-

332

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

жить від співвідношень між перерізами крапель, дуги та електроду, в цьому випадку, теж невелика: на переході електродкрапля осьова сила пінч-ефекту спрямована донизу (від меншого перерізу до більшого), а на переході від краплі до стовпа дуги − в зворотному напрямку.

Реактивна сила в цьому випадку теж невелика, з огляду на заявлений вище відносно невеликий струм, і також на те, що радіус стовпа ду-

ги ( rст ) при низьких значеннях струму теж невеликий, отже, невелика й площа активної плями дуги на поверхні краплі.

Наведені судження дають змогу в абстрактних побудовах знехтувати електромагнітною силою та реактивною силою і вважати, що рівновага краплі на торці електрода забезпечується, переважно, взаємодією сил ваги ( P ) і поверхневого натягу ( Pпн ). В момент відриву краплі від торця елект-

рода її розмір максимальний і, очевидно, існує рівновага сил, які діють на краплю: сили ваги і сили поверхневого натягу. Саме ця умова і визначає рівновагу краплі в даному випадку: P = Pпн

Проаналізуємо цей випадок, вважаючи краплю сферичною за формою,

а дугу − такою, що відповідає каналовій моделі К.К. Хрєнова. Знайдемо силу ваги, силу поверхневого натягу і прирівняємо їх.

З отриманого рівняння знайдемо радіус краплі в момент відриву:

Тепер розгрупуємо постійні величини від змінних:

333

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

Виведена залежність показує передовсім вплив розміру плавкого електрода (радіус rел ) на розмір крапель електродного металу: rк = f (rел ).

Цей факт вперше встановлено теоретично і доведено експериментально професором В.І. Дятловим, через що останню залежність іноді називають формулою Дятлова. Крім радіуса електрода, на розмір крапель, згідно цих викладок, впливає ще й величина поверхневого натягу ( σ). У випадку, коли крапля обволочена рідким шлаком це буде міжфазний натяг ( σмф).

У відсутності сили ваги крапля не переноситься з електроду на основний метал взагалі. Вона зростає на електроді до величезних розмірів або видувається газовими потоками з другового проміжку в навколишній простір. Тому спроби ручного зварювання плавким електродом у невагомості закінчилися невдачею і розробникам таких процесів довелось свого часу шукати додаткові способи впливу на перенос електродного металу у вигляді накладення імпульсів струму специфічної форми та амплітуди.

Формула Дятлова, виведена з передумови нехтування силами, на які найбільше впливає зварювальний струм (пінч-ефект і реактивні сили), не дає залежності радіуса краплі від величини струму і, отже, справедлива лише для деякого визначеного, фіксованого, його значення.

Насправді ж величина струму в дузі значною мірою впливає на розмір крапель (див. рис.). Причому, ця залежність ( rк = f (Iд )) має яскраво вира-

жений максимум. Тобто, при малих значеннях струму, збільшення його приводить до зростання розміру крапель, а після досягнення максимуму (при деякому критичному значенні струму Iкр ) розмір крапель з подаль-

шим збільшенням струму починає різко зменшуватись і перенос від крапельного переходить до струменевого.

334

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

Вид кривої, яка характеризує вплив величини струму на розмір крапель, значною мірою залежить від того чи є крапля анодом, чи катодом. При зворотній полярності, коли електрод є анодом (+), залеж-

ність досить плавна, безперервна. При прямій полярності струму, коли електрод є катодом (−), тоді максимум різко виражений, іноді спостерігається навіть розрив безперервності функції.

Вище було докладно описано різницю фізичних процесів і, відповідно, теплового стану металу в катодній і анодній областях дуги, яка призводить кінець-кінцем до такої різниці в характері переносу електродного металу. Справді, в катодній плямі (іонізаційний простір) більша температура, більша густина струму, ніж на аноді, тому, відповідно, тут набагато більше виявляється дія сил, пов’язаних зі зварювальним струмом (пінч-ефект і реактивні сили). До того ж, саме катод зазнає впливу реактивної сили віддачі відбитих його поверхнею нейтралізованих іонів, чого немає на аноді. Таким чином, крапля на катоді набагато більш чутлива до будь-яких збурень в дузі, особливо ж до тих, що пов’язані зі зварювальним струмом і тих, що пов’язані з хаотичним блуканням катодної плями по поверхні краплі. Крім того, на краплю, яка перебуває на катоді, діють ще й плазмові потоки, сила яких теж змінюється пропорційно до величини струму.

Всі ці фактори приводять до того, що, хоча закономірності утворення та існування краплі на аноді й на катоді загалом однакові, але на катоді всі тенденції розвитку того чи іншого виду переносу проявляються значно сильніше. Положення точки критичного струму ( Iкр ) переходу від крапель-

ного переносу до струменевого може не співпадати для різних полярнос-

335

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

тей струму і навіть для однакових зварювальних матеріалів іноді відрізняється в десятки разів.

2. Збільшені значення струму, перехідна до стисненої, або стиснена дуга, нестійкий струменевий перенос

Збільшення струму (до 150…250 А) у вільній дузі викликає, як це доводилося вище, збільшення радіуса стовпа дуги. Отже, якщо поступово збільшувати струм в дузі, її радіус буде зростати і в деякий момент досягне своїм розміром радіуса електрода (див. рис.).

Коли радіус дуги стає рівним радіусу електрода зникають перепади величини перерізу від електроду до краплі і від краплі до дуги. Це приводить до суттєвого перерозподілу сил, які діють на краплю.

З ростом струму значно зростає електромагнітна сила Pем , яка тепер досить інтенсивно, але рівномірно з усіх сторін обтискає краплю (хоча рівнодіюча електромагнітних сил в цьому випадку рівна нулю: Pем = 0 ).

Крім того, анодна та катодна плями збільшують свою площу, поступово займаючи всю поверхню краплі, а це значно інтенсифікує процеси випаровування (а на катоді ще й відбиття нейтралізованих іонів від його поверхні). Таким чином, значно збільшуються реактивні сили Pре , які теж обтискають краплю. Під дією цих факторів крапля приймає форму конуса, по утворюючій якого рідкий метал стікає мілкими краплями, що характерно для струменевого переносу. Конус рідкого металу періодично відрива-

336

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

ється і падає у зварювальну ванну, через це такий вид переносу і називають в цьому випадку нестійким струменевим переносом.

Можна вважати першим критичним струмом ( Iкр1 ) переходу до стру-

меневого переносу саме цей момент: коли радіус стовпа дуги стає рівним радіусу електрода і з гурту сил, які діють на краплю, зникає рівнодіюча електромагнітних сил.

3. Великі значення струму, стиснена дуга, струменевий перенос

При подальшому зростанні струму (більше ~250 А)2 дуга приймає форму конуса, який розширяється донизу (див. рис. вище (в)). Рівнодіюча електромагнітних сил уже не дорівнює нулю ( DPем ¹ 0 ) і направлена вона тепер від електрода до дуги (від меншого перерізу до більшого). Конус рідкого металу на торці електрода, підтримуваний електромагнітними та реактивними силами, постійно зберігається. Розплавлений метал інтенсивно стікає по утворюючій конуса і капає вниз дрібними краплями. Рівнодіюча осьової електромагнітної сили відриває краплі від вершини конуса, що сприяє зменшенню їх розмірів (здрібнюванню). Краплі при цьому дуже малі за розмірами (і що головне для нас − мало важать), тому, порівняно з іншими силами, які діють в дузі, силою ваги в цьому випадку можна знехтувати. Це дає змогу вважати, що краплі утримуються в рівновазі силами поверхневого натягу Pпн і електромагнітними силами Pем . Рівність саме цих сил є умовою рівноваги краплі в цьому випадку: Pпн = Pем

Значення струму, яке відповідає наведеній умові, будемо вважати другим критичним струмом переходу до струменевого переносу ( Iкр2 ). Знай-

демо його, використавши відповіді залежності та вирази для сили поверхневого натягу і для електромагнітної сили пінч-ефекту, отримаємо:

2 Наведені тут в пунктах 1, 2, 3 значення струму досить умовні. Мається на увазі зварювальна «металева» дуга з плавким електродом діаметром ~3 мм.

337

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

2πrелσ = A I 2

Звідси критичний струм переходу до струменевого переносу буде:

Iкр = 2πσrел

A

нагадаємо, що тут:

σ − поверхневий натяг матеріалу електрода; rел – радіус електрода;

A − постійна величина, значення якої залежить від матеріалу електродів, умов горіння дуги і визначається, зазвичай, дослідним шляхом.

Виведена вище залежність для критичного струму досить приблизна. Вона не враховує різний стан металу електродних крапель у випадках, коли вони є анодом чи катодом, плазмові потоки в дузі та інші суттєві фактори і тому дозволяє судити скоріше про порядок величини критичного струму, а не про його конкретне значення.

Особливості переносу електродного металу при різних

способах зварювання

Ручне дугове зварювання покритим електродом.

Ручне дугове зварювання покритим електродом виконується частіше всього у нижньому (долішньому) положенні. В цьому випадку діє класична схема крапельного (або крупнокрапельного) переносу електродного металу з короткими замиканнями або без них, яка вже докладно розглядалася вище. Максимальний радіус краплі може бути визначений за формулою В.І. Дятлова.

Покриття, нанесене на стержень електрода, теж розплавляється теплом дуги і обволочує краплю розплавленого металу. Це означає, що крапля утримується на торці електрода не стільки поверхневим натягом металу σ,

скільки силою міжфазного натягу на границі розплавів метал↔шлак σмф.

338

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

деякого перегрупування співмножників, прийме в цьо-

ників (кожен під знаком кубічного кореня). Перший з них є однозначно постійна величина ( g – це приско-

рення земного тяжіння). Другий теж можна вважати постійною величиною, оскільки ρм – густина металу електрода – не піддається регулюван-

ню. Третій співмножник наочно показує, що є два фактори, які в цьому випадку найбільше впливають на розмір крапель електродного металу: це ді-

аметр електрода dел та поверхневий (міжфазний) натяг σмф.

Діаметр електрода буває, як правило, заданий технологічною необхідністю (в залежності від товщини зварюваного металу, величини призначе-

ного зварювального струму, ін.). Міжфазний натяг метал↔шлак навпаки: є величина, яка досить легко регулюється хімічним складом покриття електрода (не забуваймо при цьому, що всі наведені судження справедливі лише для деякого фіксованого значення струму в дузі).

Електроди з різним типом покриття по різному взаємодіють з металом краплі і з газовою фазою дуги і, отже , по різному впливають на формування того чи іншого типу переносу електродного металу.

Для електродів з фтористо-кальцієвим типом покриття (головні складові CaF2 та CaCO3 ) характерний крупнокрапельний перенос електродно-

го металу в широкому діапазоні режимів зварювання. Це обумовлено, по-

перше, високим значенням міжфазного натягу метал↔шлак, оскільки і шлак, і метал добре розкислені та мало взаємодіють між собою, і, по-друге,

339

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

специфічною дією електромагнітної сили. Справа в тім, що в газовій фазі дуги при зварюванні електродами такого типу міститься до 30 % вуглекислого газу CO2 , який утворюється при високотемпературному розкладі ка-

рбонату кальцію: CaCO3 → CaO + CO2 .

Енергетичні витрати дуги на дисоціацію цього газу приводять до стиснення стовпа дуги і зменшення (збігання) активних плям. Стовп дуги виявляється найвужчим місцем на шляху струму від електрода через краплю, стовп і зварювальну ванну. Отже, рівнодіюча електромагнітних сил, яка завжди направлена від меншого перерізу до більшого, перешкоджає відриву крапель.

Збільшення величини струму приводить до збільшення швидкості розплавлення електрода, відповідно, зменшується інтервал часу між переходами крапель (збільшується частота крапельного переносу).

При малій напрузі на дузі (коротка дуга) перенос крапель електродного металу може супроводжуватись короткими замиканнями, оскільки збільшення розміру крапель в цьому випадку обмежене довжиною дуги. В моменти коротких замикань відбувається примусове перетікання металу з торця електрода в зварювальну ванну. З видовженням дуги маса окремих крапель збільшується, тому що створюються умови для вільного зростання краплі на торці електрода. Подальше видовження дуги приводить до підсмоктування навколишнього повітря в зону формування крапель і збільшення там парціального тиску атмосферного кисню. Це викликає окислення поверхневого шару металу та зменшення (за рахунок взаємодії) величини поверхневого (міжфазного) натягу. Наслідком цього стає зменшення маси окремих крапель та збільшення частоти їхнього перенесення.

Наведені фактори настільки сильно впливають на формування переносу, що навіть суттєва зміна складу фтористо-кальцієвого покриття (при

340