Джерела нагрівання та

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

Як показувалось вище, максимального значення температура підігрі-

вання електрода струмом досягає на його торці - перед розплавленням, саме ця температура і є найважливішою для визначення (електродний дріт не повинен розплавлятись до попадання в дугу, інакше процес зварювання буде нестабільний, або й взагалі порушений). Цю температуру легко знайти, знаючи що для торця електроду час перебування під дією струму мак-

Виведена залежність є досить приблизною, бо теплофізичні властивості металів (відповідно й коефіцієнти рівняння) сильно залежать від температури.

311

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

Для визначення температури нагрівання вильоту електрода струмом можна користуватись номограмами для ручного електрода підставляючи туди максимальний час проходження струму tmax .

Приріст температури від нагрівання вильоту електрода дугою може бути визначений так само, як і в попередній схемі розрахунків:

Але це рідко буває доцільним, тому що механізована подача електроду здійснюється з такими швидкостями, що тепло дуги не встигає в скіль- ки-небудь значній кількості розповсюджуватись по стержню електрода.

Натомість, нагрівання електродного дроту струмом, який по ньому проходить, при механізованому зварюванні нерідко може бути таким знач-

ним, що переривається процес безперервної подачі електрода - він розплавляється раніше, ніж потрапляє в дугу (густина струму при механізованій подачі електродного дроту може бути на порядок більшою, ніж при ручному дуговому зварюванні).

312

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

ПЕРЕНЕСЕННЯ ЕЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛУ В ДУЗІ

Загальні положення

Дугове зварювання плавким електродом обов’язково передбачає розплавлення цього електрода і перехід його матеріалу через дуговий проміжок. Такий перехід розплавленого металу з електрода у зварювальну ванну відбувається здебільшого періодично, у вигляді крапель.

Справді, тепло дуги розплавляє електрод на торці і нагріває його на деяку довжину. Під дією тепла дуги, яке розповсюджується все далі в електрод, границя між рідкою і твердою частиною електрода пересувається все далі по його довжині, захоплюючи і розплавляючи все більше і більше металу.

Ясно, що рано чи пізно настане момент, коли рідка частина електроду відірветься від твердої і переміститься в зварювальну ванну. При цьому, якщо електрод не подається в зону плавлення, то відстань між ним і зварюваним виробом буде весь час збільшуватися і дуга через деякий час настільки видовжиться, що припинить своє існування. Тому плавкий електрод потрібно весь час подавати в дугу з певною швидкістю.

Як було показано раніше, зварювальна дуга в широкому діапазоні режимів розплавляє електрод саме з такою швидкістю, з якою він подається в дугу (принцип саморегулювання). Враховуючи безперервність подачі електрода в дугу і встановлення теплової рівноваги по його довжині, можна вважати, що границя між рідкою і твердою частиною електрода непорушна, а рідкий метал створюючи краплю на торці електрода зменшує при цьому довжину дуги.

Тобто, крапля поступово провисає з електрода в дугу і періодично падає в зварювальну ванну. Розмір крапель в залежності від умов, як от: матеріал електрода, спосіб зварювання, параметри дуги (полярність, струм,

313

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

напруга, довжина), може бути різним − від долів міліметра до 1,5…2 діаметра електрода і більше.

Варто окремо відзначити також те, що частина матеріалу електрода перегрівається в дузі до такої міри, що переноситься у вигляді пари.

Класифікація видів перенесення (або, як його ще називають, перено-

су) електродного матеріалу, яка історично склалась серед спеціалістів − зварників ґрунтується на дослідних даних і спирається при цьому на різновид дуги (вільна чи стиснена) і градацію величини зварювального струму (або правильніше, густини струму). Велике значення для формування того чи іншого виду переносу має те чи є плавкий електрод анодом, чи катодом (відбувається зварювання на зворотній чи на прямій полярності). Але поки що від такої конкретики будемо абстрагуватись. В даному викладі використовується методика професора В.І. Дятлова.

Види переносу електродного металу

Крупнокрапельний перенос з короткими замиканнями.

Цим терміном позначають такий перенос електродного металу, коли по мірі розплавлення електрода дугою крапля поступово збільшується і через деякий проміжок часу перекриває дугу повністю. Відбувається те, що називають коротким замиканням (к. з.). Частота замикань залежить від величини крапель, швидкості плавлення електрода та інших факторів і може бути в межах 5…150 разів за секунду.

Події, послідовність яких приводить до формування крупнокрапельного переносу з короткими замиканнями, такі. По мірі зростання краплі дуговий проміжок поступово скорочується, що викликає синхронне зменшення падіння напруги на дузі (Uд) і збільшення струму ( I зв ) (див. рис.).

В момент короткого замикання tк.з. струм зростає до максимального зна-

314

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

чення Iк.з. = I max , а падіння напруги на дузі наближається до нуля

Uд = U к.з. = 0 .

Джерело живлення дуги електрикою повинно відпрацьовувати такі перепади напруги і струму в процесі зварювання. Після стікання краплі з електрода у зварювальну ванну дуговий процес поновлюється.

Такий вид переносу характерний для вільної дуги (дуги, яка вільно розширяється), для відносно невеликих значень струму. На практиці цей вид переносу зустрічається у випадках ручного дугового зварювання та

Крапельний перенос без коротких замикань

Такий вид переносу спостерігається при дещо більших, ніж у попередньому випадку значеннях струму в дузі (див. рис. нижче). У цьому випадку є чітке відокремлення крапель від електрода і перехід їх через дугу у вільному стані. Крапля або сама відривається від електрода, або розривається шийка, на якій вона утримується, через збільшення густини струму на

315

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

тонкій шийці і її перегрівання. Напруга і струм дуги теж дещо змінюються в такт з переносом, але не так сильно, як у попередньому випадку.

Такий вид переносу спостерігається при дещо більших, ніж у попере-

дніх випадках, значеннях густини струму i ³ 10 А/мм 2 (1×107 А/м 2) для дуг, які уже не можуть вважатись цілком вільними, але є дещо обмеженими в якомусь перетині, наприклад, діаметром одного з електродів (дуга перехідна до стисненої).

На практиці крапельний перенос без коротких замикань має місце у випадках зварювання під флюсом, інколи – при зварюванні в захисних газах. Частота падінь крапель приблизно така ж, як і в попередньому випадку (5...150 крапель за секунду).

Дрібнокрапельний, або нестійкий струменевий перенос

Цей вид переносу спостерігається у випадку зварювання стисненою дугою, але при порівняно невеликих значеннях густини струму (див. рис.). В цьому випадку крапля досить довгий час утримується на торці електрода, утворюючи конус рідкого металу, з якого мілкими краплями електродний метал стікає вниз у зварювальну ванну.

Конус поступово збільшується, періодично зривається й падає у зварювальну ванну.

316

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

На практиці такий вид переносу можна зустріти при зварюванні плавким електродом в захисному середовищі інертних газів ( Ar , He ) при відносно невеликих значеннях струму або в інших випадках стисненої дуги, при зварюванні в умовах штучного зниження коефіцієнту поверхневого натягу матеріалу електрода (додавання активних газів до інертних ( Ar + O2 ), ( Ar + CO2 ), зварювання активованим дротом і т. п.).

Струменевий перенос

Перенос електродного металу, який називають струменевим спостерігається у випадку зварювання стисненою дугою плавким електродом при порівняно великих значеннях густини струму. Головна особливість цього виду переносу полягає в тому (див. рис.), що крапля рідкого металу весь час утримується на торці електрода у

вигляді конуса, з якого стікають дрібні краплі металу. Стікання металу з кінця розплавленого конуса може бути настільки інтенсивним, що краплі майже зливаються в ламінарний струмінь, через що цей вид переносу і одержав свою назву.

Процес горіння дуги і процес зварювання в цьому випадку дуже стійкий і стабільний. На практиці струменевий вид переносу електродного металу зустрічається при зварюванні в захисному середовищі інертних газів ( Ar , He ) стисненою високотемпературною дугою, при відносно підвищених значеннях густини струму в дузі.

Перенос металу парою

Високі температури, які існують в зварювальній дузі (5000 К…25000 К) сприяють значному випаровуванню електродного металу. Частина випаруваного металу досягає зварювальної ванни і, у випадку менших значень температури, конденсується там. Очевидно, що більшменш значну масу металу таким способом перенести з електрода до звар-

317

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

ного шва неможливо, отже, суттєвої ролі в зварювальних процесах такий вид переносу не відіграє. Тому в теоретичних викладках такий вид переносу не враховується і в подальшому докладно розглядатися не буде.

Натомість підсумуємо наведене: очевидно, що розплавлений електродний метал переходить через дугу деякими порціями. Очевидно також, що кожна така порція деякий час утримується на торці електрода, збільшуючи свої розміри. І, після досягнення деякого, в кожних конкретних умовах визначеного розміру, відривається від торця електрода і переходить через дугу в основний метал. Отже, момент відриву від торця електрода кожної чергової порції розплавленого металу визначається співвідношенням сил, які можуть діяти на цей метал.

Про сили, які діють на краплю електродного металу

Проаналізуємо з точки зору силового впливу на розплавлений електродний метал найпростіший, наближений до типового, випадок дугового зварювання плавким електродом в нижньому положенні: виріб − внизу,

електрод − вгорі, між ними горить дуга, а на торці електрода формується крапля (див. рис.).

Теоретичний аналіз показує, що врахувати всі сили, які можуть діяти на краплю в момент її формування на торці електрода, коли вона перебуває під впливом високої температури, інтенсивних електромагнітних полів, плазмових потоків та інших не завжди достеменно відомих факторів, практично неможливо. Тому раціонально буде класифікувати сили, прямо чи опосередковано діючі на краплю, як причини, які здатні змінювати рух чи положення краплі в просторі. Цей підхід дає змогу виділити для аналізу такі основні сили:

1.Сила ваги ( P ).

2.Сила поверхневого натягу ( Pпн ).

318

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

3.Електромагнітна сила (пінч-ефект) ( Pем ).

4.Реактивна сила випаровування ( Pре ).

5.Аеродинамічна сила.

6.Електростатична сила.

7.Сила внутрішнього тиску газоутворення. Розглянемо їх докладніше:

Сила ваги ( P )

Сила ваги зумовлена масою речовини краплі (розплавленого металу) і визначається, як вага будь-якої речовини в полі дії земного тяжіння,

Об’єднавши ці залежності знайдемо найбільш загальний вираз для си-

ли ваги, яка діє на краплю: P = 4 π rк3 ρм g

3

Як бачимо, сила ваги пропорційна об’єму краплі, отже, зростає про-

порційно третій степені її радіуса rк . Це означає, що при малому радіусі крапель сила ваги невелика і може бути навіть несуттєвою порівняно з іншими силами, які діють на краплю. Зате при великому радіусі крапель (наприклад, сумірному з поперечним розміром електрода) сила ваги може відігравати значну або навіть переважаючу роль в перенесенні електродного металу.

319

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

Оскільки сила ваги завжди направлена до центру Землі, а розташування елементів зварювальної зони може бути довільним у просторі, то сила ваги може як сприяти перенесенню електродного металу – при зварюванні в нижньому положенні, так і перешкоджати – при зварюванні у верхньому (горішньому) положенні.

Сила поверхневого натягу ( Pпн )

Сила поверхневого натягу викликана особливим явищем поверхневого натягу часток, які складають речовину. Кожна частка речовини (молекула, атом чи іон), яка знаходиться в глибині речовини (позиція 1 на рисунку), врівноважена силами взаємодії з іншими частками, а частки, які знаходяться на поверхні (позиція 2) – неврівноважені. Відсут-

ність частини зв’язків створює силове поле, яке ніби втягує частку в глибину речовини. Можна вважати, що рівнодіюча цієї сили втягування стискує (стягує) поверхневі частки, але внутрішні частки протидіють цьому. Зовнішній, поверхневий шар часток, таким чином, знаходиться в рівновазі ніби під дією деякого тиску (як повітряна куля). Сила цього тиску і є силою поверхневого натягу.

Дія сили поверхневого натягу (стягування поверхневого шару часток) приводить об’єм рідини до форми з найменшою можливою площею поверхні. Найменшу можливу площу поверхні при заданому постійному об’ємі має куля (об’єм, обмежений сферою). При наданні об’єму рідини іншої (несферичної) форми доведеться витратити енергію, яка піде на збільшення поверхні (виконати роботу проти сили поверхневого натягу) і навпаки: сферичної форми об’єм рідини набуває самочинно, при цьому роботу виконує сила поверхневого натягу.

320