МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ
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.