Джерела нагрівання та

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

збереженні основи із суміші карбонату кальцію і флюориту постійною) не справляє істотного впливу на процеси переносу.

Інші типи електродів − з рудно-кислим (основа: MnO2 та SiO2 ) та з рутиловим (основа: TiO2 ) покриттям − більш схильні до дрібнокрапельно-

го переносу. Малий розмір крапель в цьому випадку зумовлений передовсім порівняно низьким значенням міжфазного натягу на границі шлак↔метал σмф, що пов’язано з високим рівнем взаємодії між ними: ме-

тал краплі інтенсивно окислюється шлаком.

Розмір крапель при плавленні електродів з рудно-кислим та рутиловим типом покриття сильно залежить від величини струму в дузі. При дуже малій густині струму метал переноситься порівняно крупними краплями. При збільшенні густини струму розмір крапель різко зменшується і при досить високих значеннях густини струму може спостерігатись навіть струменевий перенос.

Зміна напруги (довжини дуги) в практично доцільних межах, на відміну від струму, не має істотного впливу на перенос металу електродів з рудно-кислим та рутиловим типом покриття.

Покриття, яке наносять на електрод може бути різної товщини і цей параметр (його характеризують спеціальним показником – коефіцієнтом маси (товщини) покриття) теж своєрідно впливає на перенос електродного металу. У електродів з рудно-кислим і рутиловим типом покриття із збільшенням його товщини спостерігається підвищення вмісту кисню в краплях і, відповідно, зменшення їх розмірів.

Зменшенню розмірів крапель сприяють також аеродинамічні сили. При збільшенні товщини покриття збільшуються розміри втулочки з покриття на торці електрода і потік газів стає більш спрямованим.

341

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

Але у фтористо-кальцієвих електродів навпаки: із збільшенням товщини покриття вміст кисню в краплях зменшується, що приводить до деякого збільшення розміру крапель. Таким чином, вплив товщини покриття на перенесення електродного металу визначається в основному вмістом кисню в краплях, що, в свою чергу, викликає зміну сил поверхневого (міжфазного) натягу, які утримують краплю на торці електрода.

Таким чином, досягти здрібнення крапель при зварюванні покритим електродом можна зменшуючи величину міжфазного натягу за рахунок регулювання складу покриття електрода (наприклад, додавання кислих оксидів: MnO2 , SiO2 або навіть Fe3O4 ).

Особливий випадок з точку зору формування перенесення електродного металу являє собою зварювання у верхньому (горішньому) положенні (див. рис.). В цьому випадку практично всі сили, які діють на краплю перешкоджають її переходу в зварювальну ванну і, таким чином, виконання зварного шва стає неможливим без спеціальних прийомів. Один з таких прийомів може бути таким: звар-

ник простим рухом електрода в бік виробу робить штучне коротке замикання, струм зростає, перемичка між краплею та електродом (найтонше місце) закипає і вибухає, деякі залишки краплі, більші чи менші – залежить від кваліфікації зварника, переходять у зварювальну ванну і утримуються там силою поверхневого натягу металу ванни.

Зварювання під флюсом.

Застосування флюсу повністю ізолює зону зварювання від повітря. Тому зварювання під флюсом відбувається в особливій атмосфері газового пузиря, утвореного теплом дуги з випарів зварюваного металу та флюсу.

342

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

Це дає змогу виконувати зварювання з досить високими значеннями струму (сотні, іноді тисячі ампер) і, відповідно, густини струму.

Такі обставини формують крапельний перенос без коротких замикань (іноді буває з короткими замиканнями, викликаними інтенсивними коливаннями зварювальної ванни) або дрібнокрапельний перенос електродного металу, який підлягає тим же закономірностям, що й у попередньому випадку, тобто розмір крапель визначається діаметром електродного дроту і величиною поверхневого (міжфазного на границі рідкий метал-рідкий флюс (шлак)) натягу.

До особливостей переносу електродного металу при зварюванні під флюсом:

1 – основний метал;

2 – захисний насипний матеріал (флюс);

3 – електрод;

4 – крапля розплавленого металу на торці електрода; 5 – дрібні краплі стікають по розплавленій

поверхні флюсу; 6 – розплавлений флюс (шлак);

7 – зварювальна ванна.

Струменевий перенос при зварюванні під флюсом, зазвичай, не спостерігається, не дивлячись на високу густину струму, очевидно через те, що дуга все ж не досягає в цьому випадку достатнього ступеню стиснення.

Головною особливістю переносу електродного металу при зварюванні під флюсом є те, що частина металу електрода перетікає в зварювальну ванну по внутрішній розплавленій поверхні газового пузиря (див. рис. вище), а також те, що досить суттєва частина електродного металу переноситься у вигляді випарів.

343

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

Зварювання у середовищі вуглекислого газу.

При зварюванні в середовищі вуглекислого газу спостерігається, як правило, крупнокрапельний перенос з короткими замиканнями (див. рис. нижче (а)).

Відповідно до наведеного раніше, радіус краплі описує в цьому випадку теж формула В.І. Дятлова і розміри крапель електродного металу визначають вже розглянуті два фактори: поверхневий натяг та діаметр електродного дроту.

Спосіб зварювання в середовищі вуглекислого газу створює найскладніші обставини для переносу електродного металу. При високій температурі вуглекислий газ дисоціює на чадний газ та атомарний кисень: CO2 → CO + O . Чадний газ (CO ) має відновлювальні властивості, а ато-

марний кисень (O ) – слабкий окислювач. Створюється газове середовище, яке практично дуже мало взаємодіє з розплавленим металом. Відсутність взаємодій сприяє збільшенню значень поверхневого натягу металу крапель на границі з таким газовим середовищем до 1, 5 ×106 Дж/м2 і більше.

Таким чином, сила поверхневого натягу ( Pпн ) досягає, в цьому випад-

ку, максимально можливих для даного металу значень. Крім того, співвідношення перерізів в ланцюгу дуга-крапля-електрод, складається таким чи-

ном, що рівнодіюча електромагнітних сил ( Pем ) виявляється направлена від дуги до електрода. До цього додається ще й сила реактивного тиску

344

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

( Pре ), яка теж утримує краплю. І залишається лише одна сила, яка може сприяти перенесенню електродного металу в цьому випадку − це сила ваги ( P ), яка повинна переважити всі інші сили, для того, щоб перенос став можливим.

Все це призводить до того, що на торці електрода утворюється крапля величезних розмірів, яка без спеціальних прийомів іноді взагалі не переходить у зварювальну ванну, а видувається тиском дуги назовні.

Крім того, для зварювання в середовищі CO2 характерна досить вели-

ка різниця в критичних струмах переходу до дрібнокрапельного переносу при застосуванні зворотної і прямої полярності струму 90 А<<<3000 А (див. рис. вище (б)). Це приводить до того, що при зварювані у вуглекислому газі можливо застосовувати тільки постійний струм і він мусить бути зворотної полярності (електрод − анод, основний метал − катод).

Зварювання в середовищі інертних газів.

При застосуванні для захисту реакційної зони зварювання інертних газів ( Ar , He або їх суміші) умови горіння дуги такі, що вона переходить в стиснену форму при відносно невеликих значеннях густини струму. Цьому особливо сприяє обдування зовнішньої поверхні інертним газом з високим потенціалом іонізації і високою теплопровідністю, а також фізичне обмеження стовпа дуги діаметром сопла пальника.

Тому для такого способу зварювання найбільш характерним є крапельний перенос металу з монотонним зменшенням розміру крапель по мірі зростання струму в дузі. Як наслідок цього, із зростанням струму в дузі посту-

пово розвивається струменевий перенос електродного металу, тобто його найкраща форма. Ілюстрація цього явища представлена тут на рисунку, де

345

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

показана залежність розміру крапель електродного металу від величини струму в дузі при зварюванні в середовищі аргону (алюмінієвий дріт діаметром 1,6 мм, зворотна полярність)

Слід також окремо зауважити, що для випадку контакту розплавленого металу з інертним газовим середовищем характерні, як відомо, великі значення поверхневого натягу. Тому при малих значеннях густини струму може бути нестійкий струменевий перенос з рідкими, але досить крупними краплями, що, звичайно, значно погіршує якість зварного шва. Крім того, якщо метал електродного дроту має високу теплопровідність, тоді перехід до струменевого переносу відбувається при значно більших величинах струму.

Наприклад, зварювання титанових сплавів або високолегованих сталей майже завжди супроводжується струменевим переносом електродного металу, а при зварюванні алюмінієвих сплавів (або мідних) досягнення струменевого переносу навіть при значних величинах струму є досить проблематичним.

Особливості переносу електродного металу при наплавленні.

Наплавлення зазвичай проводиться для відновлення геометричних розмірів деталей або для забезпечення певних особливих властивостей поверхневого шару металу, який підлягає такого роду обробці.

Впершому випадку перенесення електродного металу не має якихось суттєвих відмінностей від звичайного зварювання тих же матеріалів на таких же режимах.

Вдругому випадку наплавлення виконується, як правило, електродним металом, склад якого сильно відрізняється від основного металу.

Тому зрозуміло, що наявність деякої долі основного металу в наплавленому значно погіршує якість наплавленого металу та його службові характеристики. Звідси витікає основна вимога – мінімальне проплавлення

346

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

основного металу і якнайменше перемішування основного металу з тим, що наплавляється. Це досить суперечлива вимога, бо для зменшення величини проплавлення необхідно застосування струму прямої полярності (електрод-катод), але в цьому випадку метал електродних крапель сильно перегрівається і втрачає значну частину легуючих компонентів, які власне й повинні забезпечити необхідні властивості наплавленого металу.

Тому при наплавленні застосовують переважно струм зворотної полярності (електрод-анод), що викликає надмірне проплавлення основного металу. Отже, доводиться зменшувати струм, а зменшення струму, як це показувалось вище, призводить до збільшення розмірів крапель і, відповідно, збільшує перемішування металу, який наплавляється, з основним, що, в свою чергу, збільшує долю основного металу в наплавленому. Таким чином, забезпечення належної якості наплавленого металу стає в цьому випадку важко досяжною метою без спеціальних заходів по управлінню переносом електродного металу.

Методи управління переносом електродного металу

Виходячи з технологічних умов досягнення прийнятної якості зварного шва (швидкість і повнота протікання металургійних реакцій, формування зварного шва ін.) доводиться в переважній більшості випадків зварювання плавким електродом (або наплавлення) намагатися одержати мінімальний розмір крапель електродного металу. Чим менший розмір крапель, тим більша їх загальна поверхня і, значить, тим повніше протікають металургійні реакції. Крім того, при меншому розмірі крапель зменшується розбризкування, краще формується зварний шов, підвищується стабільність горіння дуги. Тому саме досягнення мінімального розміру крапель розглядається в даному контексті як головна мета управління переносом електродного металу.

347

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

Теорія і практика постулюють значні відмінності у властивостях дуги, залежно від того, є вона вільною (яка вільно розширяється), чи стисненою. Відповідно різні способи управління переносом електродного металу застосовуються в кожному випадку.

Для вільної дуги: методи управління переносом витікають з аналізу

Враховуючи, що ми не можемо управляти величиною прискорення Земного тяжіння ( g ), а густина металу, який зварюється ( ρм ), є величина задана, то для зменшення розміру крапель ( rк ) залишаються два шляхи:

−екстенсивний: зменшувати діаметр електрода ( rел );

−інтенсивний: зменшувати поверхневий натяг ( σ).

При зварюванні покритим електродом зменшення діаметру електрода зазвичай буває обмежене технологічними факторами: заданою величиною зварювального струму або глибиною проплавлення основного металу, або товщиною з’єднуваних деталей і т. п. Тому, при ручному дуговому зварюванні покритими електродами для зменшення розмірів крапель електродного металу йдуть шляхом зменшення величини поверхневого натягу.

В покриття електроду (нагадаємо, що в цьому випадку йдеться про міжфазний натяг метал↔шлак σм−ш ) додають так звані поверхнево акти-

вні компоненти, які різко зменшують величину міжфазного натягу σм−ш .

Для покриттів сталевих електродів це елементи або речовини – окислювачі ( MnO2 , SiO2 , Fe3O4 ін.), або мікродози солей чи оксидів поверхнево ак-

тивних металів: цезію, барію і т. п. Досконалий підбір активних компонентів може зменшити поверхневий (міжфазний) натяг у 10 і більше разів.

При зварюванні в середовищі вуглекислого газу зменшують, по можливості, діаметр електродного дроту. Крім того збільшують швидкість йо-

348

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

го подачі в дугу. Це приводить до примусових коротких замикань. Кожного разу при такому короткому замиканні розривається шийка, на якій висить крапля і вона перетікає в зварювальну ванну. Щоправда, при цьому значна частина металу розбризкується.

Є інший, радикальний спосіб покращання умов переносу – зменшення поверхневого (міжфазного) натягу, але проблематично організувати присутність поверхнево-активних компонентів у зоні зварювання в цьому ви-

падку. Один з відомих шляхів − додавання у захисний вуглекислий газ деякої кількості кисню (до 5…10 %) для створення окислювального середовища і зменшення величини поверхневого натягу. Але невелика доля кисню слабо впливає на процес, а збільшення долі кисню значно погіршує властивості металу шва.

Інший шлях подолання цієї проблеми − це застосування так званого активованого дроту (див. рис. нижче). Активований дріт виготовляється із звичайного зварювального дроту шляхом формування з нього спеціального профілю, в який засипають поверхнево-активні речовини. Це, як правило, солі чи оксиди рідкоземельних металів або їх суміші. Потім цей профіль із засипкою (вона називається спеціальним терміном: шихтá) скатують в дріт, який і використовують для зварювання.

Значне зменшення поверхневого натягу приводить до зменшення розміру крапель електродного металу і дає змогу забезпечити прийнятну якість зварного шва при збільшених у 1,5…2 рази порівняно із звичайним дротом величинах зварювального струму, що значно підвищує продуктивність праці. Крім того, підвищення струму позитивно впливає на процеси

349

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

саморегулювання дуги, що відкриває дорогу широкій автоматизації та роботизації процесів зварювання у вуглекислому газі.

Крім того, застосування дроту з активуючим наповнювачем зменшує струм, при якому перенос електродного металу переходить у струменеву форму більш, ніж вдвічі, значно наближаючи його до діапазону практичних режимів зварювання. З точки зору практичного застосування це означає, що в цьому випадку при електроді суцільного перерізу крупнокрапельний перенос і пов’язані з ним технологічні недоліки будуть спостеріга-

тись до значень струму майже 400 А, а для активованого − лише до

~150 А.

Для стисненої дуги: теоретично досяжні методи управління теж визначаються можливостями впливу на величину поверхневого натягу та радіус електрода. Але при цьому слід враховувати, що стисненій дузі відповідає найчастіше струменева форма переносу, особливо при зварюванні в середовищі інертних захисних газів.

Струменевий перенос є найкращою формою переносу електродного металу і особливого поліпшення за рахунок управління не потребує. Щоправда, він існує в досить обмежених рамках можливих режимів. Тому в цьому випадку мета управління переносом полягає або в зменшенні величини критичного струму переходу до струменевого переносу, або в підтриманні стійкого струменевого переносу в діапазоні підвищених значень зварювального струму.

Покращення умов переносу електродного металу при зварюванні в середовищі інертних захисних газів, коли дуга, зазвичай, існує у формі стисненої дуги, можливе шляхом підвищенням температури газів дугового проміжку. Цього можна досягнути так званим “ обтисканням” дуги, яке реалізується збільшенням подачі захисного газу (при цьому дуга обдувається

350