В процессе сварки, при местном воздействии источника тепла на основном металле образуется расплавленный участок, на­зываемый сварочной ванной. Различают сварочные ванны двух ти­пов:

1) образующиеся при естественном охлаждении и формирова­нии шва;

2) образующиеся при использовании искусственного охлажде­ния и принудительного формирования шва.

Рассмотрим детально оба типа.

§ 37. УСЛОВИЯ ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛА

И СУЩЕСТВОВАНИЯ ЕГО В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ

На рис. 102 показана ванна первого типа для ручной (а) и автоматической дуговой сварки под флюсом (б). При ручной дуго­вой сварке шов / формируется из расплавленного металла 2. И шов,

Рис. 102. Сварочная ванна первого типа.

и металл находятся под слоем шлака. При автоматической сварке дуга и ванна закрыты слоем флюса. Расплавленный слой флюса 3 образует своеобразную полость-пузырь, охватывающую зону 4 сварки. Для сварочной ванны этого типа характерны эллип­совидные очертания с различной степенью вытянутости вдоль

продольной оси. Стенки ванны образует твердый оплавленный ос­новной металл. Расплавленный металл 2, находящийся в ванне в на­чальный период ее существования, частично оттеснен от передней ее стенки к задней, вследствие чего образуется углубление, назы­ваемое кратером 5. По мере удаления источника тепла кратер за­полняется жидким металлом.

Сварочная ванна перемещается в направлении сварки.

	Геометрические характеристики	ч	І 2 2	Отношение массы ванны к ее поверх­ности, г/см2	* к к
Вид дуговой электросварки	L, см	ь, см	к см	По­ верх­ ность, см2	Объем, см3	ь а> 2 03 о *> о < Ч	« о я о а» я £ >»к й о к я с, 2 то ^ и 2 Я Ч)	_ ас £ То с й £ о X - S « ла * О сз U о с аз
Ручная Автомати-	3,0	1,0	0,2	2,35	0,3	2,1	15	0,9	0,15
чесная	10,0	2,0	1,0	15,7	9,7	70,6	7	4,5	2,25

Таблица 30

Характеристики сварочной ванны

Основными размерами сварочной ванны можно считать ее длину L, ширину Ь и величину заглубления h в основной металл. В табл. 30 приведены некоторые характеристики ванны при ручной и авто­матической дуговой электросварке.

Для различных участков ванны время пребывания металла в жид­ком состоянии различно. Наиболее долго в расплавленном виде нахо­дятся объемы металла, расположен­ные на продольной оси ванны, тог­да как у ее краев металл кристалли­зуется сразу же после расплав­ления.

Распределение температуры по обьему сварочной ванны также не­равномерно, особенно при дуговой сварке. Калориметрическими заме­рами установлено, что средняя тем­пература ванны при автоматичес­кой дуговой сварке малоуглеродис­той стали составляет? tl800oC.

На рис. ЮЗ показано распределение температуры вдоль оси сварочной ванны. Передний участок ванны, который находится под непосредственным воздействием дуги (кривая /), нагрет значи­тельно выше температуры плавления металла, в то время как пери­ферийные участки и задняя часть ее имеют температуру, близкую к точке плавления. Если считать, что для стальных электродов сред­няя температура капель, падающих в сварочную ванну, составляет
2200—2300° С, то максимальная температура металла переднего участка ванны, очевидно, будет примерно такой же. Температура ванны при газовой ацетилено-кислородной сварке (кривая 2) более выравнена и в поверхностных слоях ванны достигает максималь­ного значения — 1600° С.

Сварочная ванна 1 второго типа (рис. 104) образуется при дуго­вой электросварке под флюсом4 (а) и при электрошлаковой сварке (б) с принудительным формированием шва (стрелка показывает на-

Рис. 104. Сварочная ванна второго типа.

правление сварки). Такая ванна заключена между свариваемыми кромками основного металла и охлаждающими стенками медных ползунов 2, формирующих внешние поверхности шва б. Искусствен­ное водяное охлаждение3 ванны придает ей чашеобразную симмет­ричную форму и весьма существенно влияет на процессы первич­ной кристаллизации жидкого металла. В отличие от ванны первого типа, здесь верхняя часть ванны в процессе ее перемещения все время находится в жидком состоянии, что создает благоприятные условия для наиболее полного удаления из металла шлаковых вклю­чений и газов.

Основные размеры такой ванны — ее глубина h и ширина Ь. В зависимости от примененного режима эти параметры существенно изменяются.

Кроме отмеченных общих черт, ванны второго типа при шлако­вом и дуговом процессах имеют и отличительные особенности. Так, в условиях шлакового процесса:

1) ванна имеет значительно больший объем и, следовательно, металл ванны дольше находится в расплавленном состоянии;

2) температура ванны в различных ее участках почти одинакова и близка к температуре плавления металла;

3) поверхность ванны полностью изолирована от непосредствен­ного контакта с газовой фазой, так как над ванной расположен зна­чительный слой жидкого шлака 5.

Перенос электродного металла в сварочную ванну. Характер переноса электродного металла в сварочную ванну существенно влияет на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз, а также на устойчивость самого процесса сварки. В зависимости от типа сварочной ванны наблюдается перенос электродного металла через газовую или шлаковую среду. Механизм переноса в обоих случаях имеет свои особенности.

Через газовую среду электродный металл переносится в виде капель разного размера — диаметром от 6—7 мм до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров. Установлено, что независимо от способа сварки и положения шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие.

В процессе сварки одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий преобладает тот или иной размер. Можно отметить такие главные формы переноса: крупно - и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный без коротких замыканий, струйный, а также перенос ме­талла в виде паров.

Динамичность процесса, наличие комплекса действующих сил весьма затрудняют изучение различных форм переноса метал­ла. Исследуется последний при помощи скоростной киносъемки дуги.

Схематизируя процесс крупнокапельного переноса электрод­ного металла, можно считать, что его механизм в общем случае вклю­чает следующие моменты (рис. 105):

а, б — образование капли на торце электрода;

в — появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода;

г — замыкание каплей дугового промежутка; д— разрыв образованного мостика и возникновение дуги.

В период формирования капли на нее действует несколько сил, способствующих или препятствующих ее отрыву от торца электро­да: сила тяжести Р, электродинамические силы Уэд, сила поверх­ностного натяжения Nn. н_.

Сила т я ж е cm и Р способствует отрыву капель при сварке в нижнем положении и противодействует отрыву при потолочной сварке.

Электродинамические силы Nm являются ре­зультатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного силового поля, оказывающего сжимающее действие на электрод (пинч-эффект). Возникают силы Nm в результате одно­временного действия таких сил:

]) усилий сжатия Ысж, величина которых зависит от тока:

We* ==5,1 • КГ6/2, где I — сварочный ток, а.

Силы Ncx направлены перпендикулярно к оси электрода, но по закону Паскаля одновременно действуют такие же силы, направ­ленные вдоль оси;

Рис. 105. Схема образования капли и переноса ее Б сварочную ванну.

2) дополнительной продольной СИЛЫ NzОП. возникающей одно­временно с образованием шейки и направленной от меньшего сече­ния капли, имеющего радиус г0, к большему с радиусом г,.

Результирующая электродинамическая сила NV[, направленная вдоль оси электрода в сторону ванны,

N3 д= 1,02- 1СгЧ21п^дин.

Г0

При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряже­ние падает, а ток резко возрастает, сила Л^эд также интенсивно уве­личивается, но оказывается направленной от центра мостика вверх и вниз. Действующая вниз сила ЛГЭД будет больше силы ЛГЭД, на­правленной вверх, так как поверхность ванны значительно больше, чем сечение электрода, а значит,

Поэтому электродинамическая сила А^л действует в направлении отрыва капли. Она деформирует каплю, вытягивает ее и застав­ляет перемещаться вперед, вдоль оси дуги,- - в сварочную ванну. Особенно значительна роль этой силы при повышенных токах.

Сила поверхностного натяжения Nn. H в про­цессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового промежутка поверхностное натяжение металла ванны втягивает каплю и тем способствует отрыву ее от торца.

В условиях сварки толстопокрытыми электродами (рис. 106, а) к главным силам, действующим на каплю, добавляются сила Nr.„ давления газового потока и с и л a Npr. р е ак-

Рнс 10G. Схема действия сил на формирующуюся каплю.

ц и и газов, выделяющихся из капли. При этом плавление об­мазки несколько отстает от плавления стержня и на торце элект­рода появляется своеобразная «трубка» или «козырек». Выделя­ющиеся газы (С02, Н2, СО, 02 и др.) нагреваются, расширяются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне. Сила Wr. n давления газового потока, стремящаяся оторвать каплю от электрода, является вместе с тем одной из причин образования кратера в сварочной Банне. Так как газовый поток в рассматриваемом случае симметричен относительно оси столба дуги, капля формирует­ся в центре торцовой поверхности электрода. Сила Np. r реакции газов, выделяющихся из капли, связана с развитием процессов газообра­зования в самой капле. Установлено, что при плавлении электрода выделяется в среднем около 10 сма газа на 1 см3 жидкого металла.

При автоматической сварке под флюсом на каплю действуют те же силы, но несколько меняются направление и величина неко­торых из них (рис. 106, б). Вследствие того, что столб дуги обычно

наклонен, результирующая электродинамическая сила Аэд направ­лена по продольной оси дуги в сторону ванны. Под действием этой силы капля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток здесь направлен не симметрично относительно оси дуги, а от перед­ней части сварочной ванны назад. Сила Nr. n давления газового по­тока, суммируясь с силой Nps реакции газов, выделяющихся из капли, создает результирующую силу Nr воздействия газовых по­токов, под давлением которой происходит отклонение капли в сто­рону давления газовых потоков. Большая часть капель поэтому после отрыва от электрода летит в потоке жидкого флюса, ограни­чивающего зону сварки, к зад­ней части ванны.

После установления схемы действия на формирующуюся каплю различных сил можно выяснить факторы, влияющие на ее размер. Размер капли оп­ределяется соотношением сил, удерживающих ее на торце элек­трода, и сил, стремящихся ее оторвать.

Главной силой, удерживаю­щей каплю на электроде, явля­ется сила поверхностного натя­жения. На величину этой силы капли влияет:

1)удельное поверхностное натяжение электродного металла при температуре плавления;

2)наличие поверхностно-активных веществ, находящихся в со­прикосновении с жидким металлом;

3) температура поверхности капли.

По данным Ю. А. Нехендзи, удельное поверхностное натяжение для различных жидкостей, в том числе и для металлов, различно и зависит от их природы (табл. 31).

Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных и щелочноземельных металлов, свободный кислород и др., обла­дают способностью заполнять свободные связи на поверхности ЖИД­КОСТИ и тем самым ослаблять связь поверхностных атомов и молекул жидкости между собой. При этом силы поверхностного натяжения резко уменьшаются. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается. Таким образом, наличие поверхностно-активных веществ и увели­чение сварочного тока понижают поверхностное натяжение капель.

Увеличение сварочного тока значительно влияет и на силы от­рыва:

1) растут электродинамические силы А, д;

2)увеличиваются сила ЛФ. п давления газовых потоков, а также результирующая сила N,',

3) нарастают процессы газообразования в капле и испарения.

Следовательно, увеличение сварочного тока приводит к росту всех сил отрыва, а значит, к измельчению капель.

Для сварки голым электродом на малых токах характерен пре - имущественно крупнокапельный перенос металла с периодическими замыканиями каплей дугового промежутка. В этом случае поверх­ностное натяжение металла капли повышенное, так как токи малы и поверхностно-активных веществ нет. Силы отрыва (Р и Уэд) нарастают медленно, и поэтому капля успевает сильно увели­читься.

При сварке толстопокрытым электродом на больших токах наблю­дается преимущественно мелкокапельный перенос металла с ред­кими замыканиями дугового про­межутка. В этом случае величина поверхностного натяжения метал­ла капель снижается как за счет наличия поверхностно-активных веществ в шлаке, таки вследствие более высокой температуры ка­пель. Силы отрыва нарастают ин­тенсивнее и появляется дополни­тельная сила Nr. n давления газово­го потока. Активно развивающиеся процессы газообразования могут преждевременно «дробить» каплю.

При сварке под флюсом приме­няются еще более высокие свароч­ные токи. Силы отрыва, особенно электродинамические силы, резко возрастают. Увеличивается воздействие газового потока Nг, усили­ваются процессы газообразования в капле, а также испарения. В результате этого при сварке под флюсом наблюдается более мелко­капельный перенос металла, а также перенос в виде паров.

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель не только величины, но и плотности тока. При некотором критическом его значении капельная форма переноса переходит в струйную. Подобная форма переноса наблюдается при сварке в ар­гоне. В. И. Дятлов объясняет переход от капельного переноса к струй­ному увеличением размера dc столба (рис. 107, а, б), когда актив­ное пятно охватывает боковую поверхность капли и увеличиваются сжимающие силы. Тогда конец электрода заостряется, капля вытя­гивается в конус и возникает струйный перенос (рис. 107, б).

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессцв. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, полнее взаимодействие с этой средой (растворение газов, процессы легирования, окисления и др.). Однако нельзя забывать, что в таком случае время существования капель уменьшается, а по­тому снижается и полнота протекания реакций.

8 5-612

В этом отношении интересны данные исследований А. А. Еро­хина, который изучал влияние режима сварки на частоту перехода капель и время их существования на торце электрода при ручной электросварке. Результаты опытного и расчетного определений этого влияния на время существования и удельную поверхность капель приведены в табл. 32.

Как видно из табл. 32, при увеличении тока в интервале 110— 300 а удельная поверхность капель изменяется незначительно, но время существования капли на торце электрода уменьшается в 1,6 раза. Между тем увеличение напряжения дуги в интервале 14—27 в уменьшает удельную поверхность капель в 2,2 раза, увеличивая

время их существования в 8,3 раза. Таким образом, на раз­витии реакций в каплях особен­но сильно сказывается увеличе­ние напряжения на дуге. Этот вывод подтверждают исследова­ния химического состава на­плавленного металла.

Во время перехода через га­зовую среду капли частично или полностью покрываются оболоч­кой расплавленного шлака, в ре­зультате чего значительно ак­тивизируются реакции между ним и жидким металлом. Воз­можно также перемешивание металла со шлаком — в результате бурного выделения газов. Ниже приведены данные о температуре капель при сварке электродами из малоуглеродистой стали:

185—195

200—240

235—240

Рассмотрим перенос электродного металла через шлаковую фазу (электрошлаковый процесс). В этом случае применяют большие плотности тока, чем при дуговой сварке (100—120 а/мм2), поэтому нагрев электрода оказывается более интенсивным. Погруженный в шлаковую ванну, он плавится не только с торца, но и по боковой поверхности, поэтому конец его по мере плавления приобретает своеобразную заостренную форму.

Как показали рентгенографические исследования, при устойчи­вом процессе сварки металл электродной проволоки переносится в сварочную ванну в виде капель. Формируясь, капля увеличива­ется за счет расплавления конца электрода и стекания металла по боковой поверхности электрода. На каплю действуют те же основ­ные силы: сила тяжести, электродинамическая сила и сила поверх­

ностного натяжения, зависящая от свойств окружающей каплю среды — жидкого шлака.

С увеличением размера капли на конце электрода возрастают силы тяжести и поверхностного натяжения. Вблизи границы капли с твердым металлом электрода появляется шейка. Плотность тока в ее сечении возрастает, что приводит к увеличению электродина­мической силы. Под действием этой силы при отрыве от торца элек­трода капля приобретает некоторое ускорение. Жидкий шлак тор­мозит движение капли и приобретает часть ее импульса. В связи с торможением среднее количество капель на единицу длины пути возрастает. В этом случае возможно слияние капель между собой, сопровождающееся изменением проводимости шлаковой ванны.

На размер переносимых через шлак капель влияет величина тока, напряжение дуги, диаметр электродной проволоки, хими­ческий состав электродной проволоки и шлака. Уменьшение сва­рочного тока снижает температуру торца электрода и величину электродинамической силы, что приводит к укрупнению капель. Повышение напряжения вызывает уменьшение размера капель.