14.10.2022

Группа 512 

Предмет: Основы технологии сварки и сварочного оборудования 

Тема: Тепловые процессы при сварке

Тема урока: Особенности плавления и виды переноса электродного металла на изделие. Производительность расплавления электродов и их наплавка. Коэффициент расплавления, наплавки и потерь

Цель урока: изучить данную тему, составить конспект урока.

Плавление и перенос металла в дуге

Металл плавящегося электрода пе­реходит (в виде капель различного размера) в сварочную ванну. Схема­тично перенос металла электрода мож­но представить в следующем виде. В начальный момент металл на конце электрода подплавляется и образует­ся слой расплавленного металла (рис. 12, а). Затем под действием сил поверхностного натяжения и силы тя­жести этот слой металла принимает форму капли (рис. 12, б) с образова­нием у основания тонкой шейки, которая с течением времени умень-

А)		Б)		В)		Г)

M!\

• о 11\

ШШ

Шается. Это приводит к значи­тельному увеличению плотности тока в шейке капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны (рис. 12, в). В этот момент происхо­дит короткое замыкание, сварочной цепи. Резкое возрастание тока приво­дит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает дуга (рис. 12, г), но уже между торцом электрода и каплей. Под давлением паров и газов зоны дуги капля с уско­рением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть ме­талла разбрызгивается. Затем процесс каплеобразования повторяется.

Установлено, что время горения ду­ги и короткого замыкания составля­ет примерно 0,02...0,05 с. Частота и продолжительность короткого замы­кания в значительной степени зави­сят от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше корот­ких замыканий и тем они продолжи­тельнее.

Форма и размеры капель металла определяются силой тяжести и силами поверхностного натяжения. При свар­ке в нижнем положении сила тяжести способствует отрыву капли, а при по­толочной сварке препятствует перено­су металла электрода в шов. На раз­меры капель большое влияние оказы­вают состав и толщина электродного покрытия, а также сварочный ток. Электродное покрытие, как правило, снижает поверхностное натяжение металла почти на 25...30%. Кроме то­го, газообразующие компоненты пок­рытия выделяют большое количество газов и создают в зоне дуги повышен­ное давление, которое способствует размельчению капель жидкого метал­ла. При повышении сварочного тока размер капель уменьшается. Перенос электродного металла крупными кап­лями имеет место при сварке на малых токах электродами с тонким покры­тием. При больших плотностях свароч­ного тока и при использовании электро­дов с толстым покрытием перенос ме­талла осуществляется в виде потока мельчайших капель (струйный перенос - металла).

Рис. 13

На скорость переноса капель металла в дуге действует газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны. При сварке электродом с толстым покрытием стер­жень 1 электрода (рис. 13) плавится быстрее и торец его оказывается несколько прикрытым «чехольчиком».? покрытия 2. Интенсивное газообразо­вание в небольшом объеме «чехоль­чика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.

Основным фактором, влияющим на скорость переноса металла в дуге, является электромагнитное поле. Магнитное поле оказывает сжи­мающее действие и ускоряет образо­вание и сужение шейки капли, а сле­довательно, и отрыв ее от торца элек­трода. Электрическое поле, напряжен­ность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, также ускоряет процесс отрыва капель. При потолочной сварке перенос капель электродного металла в сварной шов обеспечивается в основном действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге.

Капли металла, проходящие черёз дугу, имеют шлаковую оболочку, кото­рая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспе­чивая хорошее качество металла шва.

Доля электродного металла в сос­таве металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла ко­леблется в широких пределах (30...80%), а при автбматической сварке. она составляет 30...40%.

Производительность сварки в-зна­чительной степени зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления ар.

Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла в граммах, расплавленной в течение од­ного часа, отнесенной к одному амперу сварочного тока.

Коэффициент расплавления зави­сит от ряда факторов. При обратной полярности коэффициент расплавле­ния больше, чем при прямой поляр­ности, так как температура анода вы­ше, чем катода. Состав покрытия электрода и его толщина также влия­ют на коэффициент расплавления. Это объясняется, во-первых, значением эффективного потенциала ионизации газов, а во-вторых, изменением тепло­вого баланса дугового промежутка. Коэффициент расплавления при руч­ной дуговой сварке составляет 6,5...14,5 г/(А • ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие — электроды с толстым покрытием.

Для оценки скорости сварки пользуются коэффяциентом наплавки ан. Этот коэф - фицяент оценивает массу электродного металла, введенного в сварной шов.

Коэффициент, наплавки меньше коэффициента расплавления на вели­чину потерь электродного металла из - за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25...30%, а при автоматической сварке под флю­сом составляют только 2...5% от коли­чества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет потреб­ного количества электродного металла для сварки шва установленного сече­ния и определить скорость сварки шва.

Количество металла (кг), необхо­димое для получения сварного шва, g„ = LFp, где L — длина свариваемо­го шва, м; F — площадь поперечного сечения шва, м2; р — плотность элек­тродного металла, кг / м3.

Выражая это же количество ме­талла (кг) через коэффициент наплав­ки, получим g„ = 10~J a „It, где а„ — коэффициент наплавки, г/ (А • ч); / — сварочный ток, A; t — время горения дуги, ч. Отсюда: время горения ду­ги (ч) t= 10_3 g«/(a«I) скорость сварки (м/ч) v = L/t.

Зная gH, можно определить необхо­димое количество электродного ме­талла: g3 = gv (1 + i|>), где — коэф­фициент потерь металла на угар и разбрызгивание.

Кроме того, потребное количество электродного металла (кг) можно оп­ределить, зная коэффициент расплав­ления ap:g9 = Ю- aplt.

Задавшись диаметром и длиной электрода, по g, вычисляют потреб­ное количество электродов. Диаметр стержня электрода должен соответст­вовать значению сварочного тока, дли­на стандартизована.

Скорость плавления электрода жестко связана со сварочным током. При сварке различных видов сварных соединений и типов швов требуется неодинаковая скорость плавле­ния электрода. В одних случаях она должна быть минимальной, в других, наоборот, максимальной.
    При сварке стыковых соединений без разделки кромок и без зазора расплавленный металл электрода образует выпуклость шва. По мере увеличения толщины свариваемых элементов для полного их проплавления необходимо увеличение силы тока дуги. Одновременно с этим увеличивается и количество расплавляюще­гося электрода металла. В результате образуются швы с чрез­мерно большой выпуклостью. Для получения швов с нормальной выпуклостью следует искать пути снижения скорости плавления электрода или прибегать к разделке кромок, сварке с увеличенным фиксированным зазором и другим приемам.
При выполнении стыковых соединений с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов желательно увеличивать ско­рость плавления электрода, поскольку в этих случаях производи­тельность процесса в, значительной мере определяется количе­ством электродного металла, расплавляющегося в единицу вре­мени, необходимого для заполнения разделки или формирования угловых швов с заданным катетом.
     На практике в качестве характеристики используют среднюю скорость плавления электрода, определяющуюся количеством расплавленного металла:
                                                      G_p = α_р I_д

 где α_р - коэффициент расплавления электрода, г/(А. ч); I_д - сила тока дуги, А.
 Количество наплавленного металла или средняя скорость наплавки
                                                         G_p = α_нI_д

где α_н - коэффициент наплавки, г/(А. ч).
         Коэффициенты расплавления электрода и наплавки зависят от способа сварки и плотности тока на электроде. Для небольших плотностей тока при ручной дуговой сварке сталей их значение не превышает 7-10 г/(А. ч). С увеличением плотности тока значе­ние коэффициентов возрастает до 17 г/(А. ч) и более. Разница коэффициентовα_р и α_н определяется потерями электродного металла на разбрызгивание, испарение и т. п.:
                                                       Ψ= (α_р-α_н) 100/α_р %,

где: Ψ - коэффициент потерь, %
  Для различных способов дуговой сварки потери составляют 1-15 %. С увеличением сварочного тока потери на разбрызгива­ние во многих случаях возрастают.
      На формирование сварочной ванны и шва влияет характер переноса электродного металла при его плавлении. Перенос расплавленного металла с электрода в сварочную ванну осуще­ствляется под действием электродинамических сил и газовых потоков, образующихся в столбе дуги.
 При сварке неплавящимся электродом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой про­межуток. Это в значительной мере облегчает условия горения дуги и обусловливает более высокую ее стабильность. Присадоч­ный металл по мере необходимости подается в головную часть сварочной ванны. В отличие от сварки плавящимся электродом скорость плавления присадочного металла не связана жесткой зависимостью со сварочным током. Количество присадочного металла, подаваемого в ванну, выбирают из условия обеспечения требуемой доли участия присадочного металла в образовании шва. При сварке стыковых соединений без разделки кромок присадочный металл необходим в основном для создания выпук­лости шва.
Переход присадочного металла в сварочную ванну, минуя дуговой промежуток, исключает его разбрызгивание. Сокра­щаются потери на испарение и ограничивается взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой столба дуги.
При сварке неплавящимся электродом создаются благоприят­ные условия для защиты ванны и формирования шва. Стойкость вольфрамового электрода в первую очередь определяется плот­ностью тока. Большое влияние оказывают род тока и полярность при постоянном его значении. Особенно мала стойкость вольфрамового электрода при сварке на постоянном токе обратной полярности. Это связано с двумя причинами. Во-первых, на аноде выделяется большее количество теплоты, чем на катоде. 

При постоянной силе сварочного тока диаметр элек­трода определяет плотность энергии в пятне нагрева и по­движность дуги. В связи с этим при увеличении диаметра элек­трода уменьшается давление дуги на расплав, снижается глубина проплавления ванны и возрастает ее ширина.
       Дополнительные параметры связаны с условиями ведения процесса сварки и особеннос-тями горения дуги. Так, при одной и той же погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать колебания электрода и др. Эти особенности процесса также сказываются на формировании ванны и конечных размерах швов.
   В зависимости от рода тока и полярности (Рис. 17.2) на изделии выделяется различное количество теплоты. Если теплоту, выде­ляющуюся на аноде W_a и катоде W_к приближенно оценивать по эффективному падению напряжений, то получим зависимости

W_а = U_а + (φ + 2kT),

W_к = U_к - (φ + 2kТ),

где U₃ и U_K - анодное и катодное падение напряжений; φ, kT - потенциальная и кинетическая энергия электронов.

Рисунок 17. 2 Характер горения дуги и фор­ма сварочной ванны.-        а - на прямой полярности;       б - на обратной полярности

 

 

Температура и формирование сварочной ванны. Для сварочной ванны при дуговом процессе характерно неравномерное распределение температуры (Рис. 17. 3). В головной части ванны, где под воздействием источника теплоты происходит плавление металла и наиболее интенсивно протекает взаимодействие металла со шлаком и газами, металл нагрет значительно выше температуры его плавления. В хвостовой части ванны температура приближается к температуре плавления основного металла. Средняя температура сварочной ванны при сварке под флюсом конструкционных низкоуглеродистых сталей составляет около 1800° С. Наибольшая температура для этих условий достигает 2300° С.

Рисунок 17.3 Распределение температуры по длине ванны при дуговой сварке.

  Столб дуги, расположенный в головной части сварочной ванны, оказывает механическое воздействие — давление на поверхность расплавленного основного металла. Это давление является результатом совместного действия упругого удара заряженных частиц о поверхность металла, давления газов, находящихся в дуговом промежутке, и дутья дуги, обусловленного электродинамическими усилиями. Такой направленный поток наблюдается только при несимметричной дуге, т. е. дуге, горящей между электродами малого и большого сечений, в нашем случае между электродом или сварочной проволокой и основным металлом.

   Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и к погружению столба дуги в толщу основного металла, что обусловливает увеличение глубины проплавления.    Давление, оказываемое дугой на поверхность металла, пропорционально квадрату тока, протекающего в дуге. Давление может быть повышено за счет увеличения концентрации источника нагрева, например путем повышения плотности тока в электроде, применения флюса или тугоплавкого покрытия, образующего втулочку на конце электрода (сварка электродами для глубокого провара). Очевидно, что чем больше давление, оказываемое дугой на поверхность расплавленного металла, тем больше глубина погружения столба дуги в его толщу. Для понижения давления применяют сварку наклонным электродом углом вперед, сварку несколькими дугами и другие приемы.

  Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действующими на поверхность сварочной ванны силами, по мере передвижения дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного пространства. При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это перемещение невелико и проявляется в образовании не заполненного металлом углубления — кратера. При повышенных плотностях тока в электроде наблюдается достаточно заметное перемещение металла сварочной ванны вплоть до полного удаления жидкого металла из головного участка. Этим обусловливается различие уровней жидкого металла в головной и хвостовой части плавильного пространства. Для поддержания такой разности уровней должно существовать равенство между давлением дуги Рд и гидростатическим давлением жидкого металла и шлака Рг. Если Рд < Рг, то металл и шлак заполняют образовавшееся углубление, что имеет место в конце процесса сварки. Если Рд > Рг, то нарушается нормальное формирование шва.

  После перемещения расплавленного металла в головной части плавильного пространства остается углубление — канавка. Поверхность ее покрыта тонкой пленкой жидкого металла, удерживаемой силами поверхностного натяжения- По мере передвижения дуги перемещающийся из последующего головного участка жидкий металл заполняет канавку. При этом происходит взаимное слияние поступившего металла с жидкой пленкой и дополнительное оплавление основного металла за счет теплоты, накопленной в перегретой сварочной ванне. При удалении источника нагрева в хвостовой части плавильного пространства начинает преобладать отвод теплоты в массу холодного металла над притоком теплоты и начинается затвердевание — кристаллизация сварочной ванны. В процессе затвердевания по границе расплавления образуются общие кристаллиты, что и обеспечивает монолитность соединения.