Лекция 17. Плавление металла при сварке.

План лекции. Плавление электрода, сухой и «мокрый» вылеты электрода при сварке плавлением. Формы сварочной ванны при различных видах и способах сварки. Температура сварочной ванны, тепловая эффективность процесса сварки. Нагрев и плавление присадочного металла. Плавление основного металла.

   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 коэффициентов α_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. Во-вторых, боковой нагрев электрода затрудняет отвод теплоты с его торца. В связи с этим сварку вольфрамовым электродом обычно ведут или на переменном токе, или на постоянном токе прямой полярности.

Формы сварочной ванны при различных видах и способах сварки. Как известно к основным параметрам дуговой сварки относятся сила тока дуги I_дуги, напряжение дуги U_дуги и скорость сварки v_св. Полная мощность сварочной дуги Q определяется по формуле:

Q = I_дуги U _дуги

Тепловложение на единицу длины шва определяется погонной энергией (q_oη_и/V_св) и условиями сварки оказывающими влияние на КПД сварки, η_и. Величина η_и в зависимости от условий сварки может меняться от 0,3 до 0,95.
Сила тока дуги в наибольшей степени определяет тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с уве­личением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура плазмы столба дуги, стабилизируется положение активных пятен на электроде и изделии. С увеличением силы тока дуги возрастает длина сва­рочной ванны, ее ширина и глубина проплавления. Особенно интенсивно растет глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточенности энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на ванну, которое пропорционально квадрату силы свароч­ного тока. В определенных пределах изменения силы тока глу­бина проплавления ванны приближенно может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

H = k·I_дуги

где k - коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.
С увеличением напряжения дуги также возрастает тепловая мощность дуги, а следователь-но, и размеры сварочной ванны. Особенно интенсивно возрастают ширина и длина ванны. Ширина ванны связана с напряжением практически прямой зависимостью

E = k·I_дуги·U_дуги / v_св·s

где s - толщина свариваемого металла.

        При постоянной силе сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления ванны. По-видимому, это обусловлено некоторым снижением эффектив­ного к. п. д. дуги и большими возможностями для блуждания активного пятна по поверхности сварочной ванны.

Рисунок 17. 1 Схема сварки погруженной дугой.

Путем медленного уменьшения длины дуги и, соответственно, напряжения дуги можно перейти ксварке погруженной дугой (Рис. 17.1).
При постоянной погонной энер­гии повышение скорости сварки вызывает увеличение термичес­кого к. п. д. процесса, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию глубины проплавления и уменьшению ширины шва. Изменение скорос­ти сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно ска­зывается на размерах сварочной ванны и шва. Это можно видеть из уравнений для определения ширины е и длины L сварочной ванны:

L = k (U_дуги I_дуги)² / (v_св s²).

    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.