1.4 Металлургические особенности

При сварке открытой дугой непокрытыми или тонко покрытыми электродами расплавленный металл не защищен от воздействия воздуха и поэтому интенсивно насыщается азотом и кислородом. Эти газы, растворенные в металле, сильно ухудшают пластичность сварного шва [7].

Эффективным и весьма экономичным средством защиты жидкого металла от воздействия воздуха при дуговой сварке является углекислый газ.

Особенностью сварки в углекислом газе является сравнительно сильное выгорание элементов, обладающих большим химическим средством к кислороду (С, Al, Ti, Mg, V, Si, Mn, и др.) Выгорание происходи за счет окисляющего действия как углекислого газа, так и атомарного кислорода, который образуется в результате диссоциации углекислого газа под действием высокой температуры дуги,

СО₂ СО+ О.

При сварке взаимодействие жидкого металла и газа происходит весьма энергично, несмотря на кратковременность их контактирования. Это объясняется исключительно высокими температурами, развивающимися в зоне сварки, и большими удельными поверхностями контактирования металла и газа.

Окисление элементов зависит от их концентрации в зоне сварки и от сродства к кислороду, которое в свою очередь изменяется для каждого элемента с изменением температуры. Так, при температурах ниже затвердевания стали наиболее сильным раскислителем является кремний, за ним следует ванадий, хром, углерод, марганец. С повышением температуры раскисляющая сила элементов изменяется.

Таким образом, в зоне сварки могут происходить следующие реакции [7]:

;

;

и т.д.

Рисунок 1.4 - Зависимость теплопроводности газов и паров металлов от температуры при атмосферном давлении:1 - аргон; 2 - пары цезия; 3 - пары калия; 4 - гелий; 5 - воздух; 6 - СО₂; 7 - водород; 8 - пары натрия.

Непрерывный уход окислов углерода, кремния, марганца и других элементов-раскислителей из зоны реакции в воздух (СО) или в шлак (МnО, SiO₂ и др.) способствует протеканию реакций в направлении окисления.

Также можно выделить характерные особенности в теплофизических свойствах газа которое представлено на рисунке 1.4. Предопределен большой отбор тепла дуги, сжатие столба дуги, и большое реактивное давление паров, которое оттесняет каплю на боковую поверхность электрода при сварке в СО₂. Поэтому процесс обычно ведут с короткими замыканиями.

1.5 Разбрызгивание, существующие методы борьбы с ним

При механизированной сварке плавящимся электродом с разбрызгивнием особенно часто сталкиваются в случае использования углекислого газа в качестве защитной среды. Для борьбы с разбрызгиванием важно знать его возникновение.

Повышенное разбрызгивание металла, составляющее в среднем 15-20 процентов, приводит не только к прямым потерям металла, но прежде всего к значительным дополнительным трудозатратам на удаление брызг с поверхности сварного изделия, очистку газового сопла полуавтоматической или сварочной головки.

Изучением причин разбрызгивания занимались многие авторы: И.И.Заруба, А.Г.Потапьевский, Н.Г.Дюргеров, А.П.Хейфец и т.д. Перечислим основные из них:

а) взрыв перемычки расплавленного металла вследствие большой скорости нагрева перемычки, особенно в конце короткого замыкания, когда температура металла превышает равновесную температуру кипения. Это приводит к избыточной тепловой энергии в объеме перемычке и как следствие, к взрыву перемычки и ее испарению.

б) силовое воздействие на расплавляемый металл капли после разрыва перемычки и ванны со стороны сварочной дуги (газодинамический

удар).

в) действие электромагнитных сил и плазменных потоков, отталкивающих каплю от сварочной ванны. Капля непрерывно увеличивается, беспорядочно двигаясь, она смещается от оси электрода, а затем может быть выброшена за пределы ванны.

В настоящее время разбрызгивание, как правило, объясняется действием пондеромоторных сил и жидкой перемычке между электродом и ванной расплавленного металла.

Рисунок 1.5 - Основные виды разбрызгивания при сварке в СО₂, СО₂+О₂, N₂, Аг+ более 25% СО₂ непрерывно горящей дугой (а,б,в), с короткими замыканиями (г,д,е), при использовании ржавой проволоки (ж), в начале процесса сварки (з) и зависимость потерь _р от силы тока (U).

Разбрызгивание металла при сварке с крупнокапельным переносом без коротких замыканий происходит в основном из-за случайного вылета за пределы шва крупных капель и систематического выброса мелких, как показано на рисунке 1.5(а,б). При сварке в аргоне разбрызгивание невелико, а в многоатомных газах (CO₂N₂, Н₂) сравнительно велико, при этом из ванны также выбрасываются и мелкие капли при выделении СО₂ (рисунок 1.5,в). При сварке с короткими замыканиями разбрызгивание происходит из-за выброса мелких капель от взрыва шейки в соответствии с рисунком 1.5,(г) , выброса остатка капли с электрода при повышенных токах I_КЗ (рисунок 1.5,д) и расплескивания ванны (рисунок 1.5 е) при очень больших токах I_К3. Для уменьшения разбрызгивания рекомендуется ограничивать скорость нарастания и силу тока I_К3.

Это достигается включением в сварочную цепь дросселя и балластного реостата. При сварке в СО₂ разбрызгивание существенно зависит от напряжения, тока и состояния поверхности проволоки согласно рисунка 1.5(и).

Разбрызгивание особенно резко увеличивается при использовании ржавой проволоки, что приводит к частым взрывам крупных капель. С повышением напряжения и в диапазоне средних токов увеличение потерь происходит главным образом из-за выброса крупных брызг. В начале сварки и при нарушениях процесса наблюдается резкое увеличение разбрызгивания в результате выброса нерасплавленной части электрода и расплескивание ванны, как показано на рисунке 1.5 [1].

Причиной разбрызгивания металла может быть разрушение перемычки, если оно имеет характер электрического взрыва проводника. Как известно, отличительной стороной электрического взрыва является то, что энергия достаточна для искоренения проводника сообщается ему мгновенно по сравнению со временем, необходимым для спокойного искоренения. При этом на графике металл-воздух происходит скачок температуры и давления. Затем следует две фазы взрыва: разрушение перемычки с рассеянием продуктов взрыва и образованием первой ударной волны, после паузы тока - газовый разряд в парах еще одной ударной волной. Обеим фазам свойственно возникновение значительных механических усилий. Роль пондеромоторной силы, как и поверхностного натяжения, сводится к созданию условий для взрыва перемычки путем уменьшения ее толщины.