Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Сварка порошковой проволокой

Особенности плавления и переноса металла

Характер плавления и показатели переноса электродного металла оказывают большое влияние на интенсивность протекания металлургических процессов между металлом, шлаком и газами и на технологические характеристики — производительность сварки, разбрызгивание, формирование шва, глубину проплавления и т. д.

Многочисленными исследованиями установлено, что на расплавленный металл на электроде действуют сила тяжести, сила поверхностного (межфазного) натяжения, электромагнитная сила, аэродинамическая сила газового потока и реактивное давление паров электродного материала.

Величины сил и направление равнодействующей определяются режимом сварки, диаметром электрода, полярностью, физико-химическими свойствами электродного металла и газовой атмосферы и т. д. Сила тяжести способствует отрыву капель при сварке швов в положениях, отличных от потолочного.

Сила поверхностного натяжения удерживает каплю на торце электрода. Она определяется величиной поверхностного (межфазного, если металл покрыт шлаком) натяжения и геометрическими параметрами капли. Принимая, что капля имеет сферическую поверхность и основанием ее служит плоскость сечения электрода, силу поверхностного натяжения определяют по формуле

— радиус электрода.

Величина поверхностного натяжения зависит от многих факторов и в первую очередь от температуры и состава электрода. При увеличении температуры поверхностное натяжение малоуглеродистых сталей уменьшается. Снизить поверхностное натяжение также можно, введя в каплю через проволоку, покрытие (флюс) или газ поверхностно-активные вещества, например кислород.

Величина электромагнитной силы пропорциональна квадрату силы тока, ее направление определяется соотношением диаметров электрода, активных пятен и столба дуги:

— радиус столба дуги. При ручной сварке действием электромагнитной силы обычно пренебрегают. Существенное влияние на перенос металла она оказывает при сварке в защитных газах.

Капля электродного металла подвергается аэродинамическому воздействию потока паров и газов. Величина этого воздействия зависит от плотности и скорости газового потока. При сварке в потоке защитных газов сила аэродинамического воздействия способствует отрыву капли.

По расчетам, выполненным В. И. Дятловым, реактивное давление паров металла пропорционально квадрату силы тока. Величина реактивного давления паров определяется плотностью тока в активном пятне. При увеличении плотности тока в пятне пропорционально увеличивается реактивное давление.

Изменяя условия сварки, можно изменять соотношение действующих на каплю сил, а следовательно, и перенос металла. На. размер капель значительное влияние оказывает сила тока. С ростом тока размер капель уменьшается. Это явление наблюдается при сварке под флюсом, покрытыми электродами, в углекислом газе, в одноатомных инертных газах.

При достижении определенных критических плотностей тока в случае сварки в аргоне и гелии начинается струйный перенос металла. В работе такое изменение характера переноса металла объясняется изменением соотношения диаметров столба дуги и электрода, вызывающего изменение направления электромагнитной силы. Влияние сварочного тока на размеры капель связывают также с силой поверхностного натяжения. С ростом тока повышается температура капель, снижается поверхностное натяжение, уменьшаются размеры капель.

Размер капель металла существенно зависит от диаметра электрода. При уменьшении диаметра электрода уменьшается площадь контакта капли с электродом, следовательно, уменьшается сила поверхностного натяжения. Это способствует мелкокапельному переносу. Значение критического тока, при котором электромагнитная сила начинает способствовать отрыву капель, также снижается.

Большое влияние на характер переноса металла и размеры капель оказывает состав защитной атмосферы. При сварке в гелии капли электродного металла более крупные, чем в аргоне. Особенно это заметно на прямой полярности. Добавка к аргону и гелию азота способствует укрупнению капли, повышению критического тока. Добавка кислорода, напротив, вызывает уменьшение критического тока и размера капель, что связано с различным влиянием этих газов на температуру капель, поверхностное натяжение и характеристики столба дуги.

При сварке в углекислом газе критический ток, по данным В. И. Дятлова , возникает при высоких плотностях и находится за пределами практически применяемых режимов сварки.

Плавление и перенос металла при сварке порошковой проволокой имеют специфические особенности. Основные закономерности этих процессов изложены ниже.

Особенности плавления порошковой проволоки. Характеристики дуги при сварке порошковой проволокой существенно зависят от состава сердечника. Последний , как указывалось выше, обладает низкой по сравнению с металлической оболочкой электропроводностью. По этой причине активное пятно дуги занимает не все сечение проволоки, а находится на оболочке или капле расплавленного металла. Оно, так же как и столб дуги, хаотично, с изменяющейся скоростью перемещается вокруг сердечника. Сердечник плавится за счет излучения дуги и конвективного теплообмена с расплавленным металлом и разогретыми газами.

В связи с этим при сварке порошковой проволокой плавление оболочки несколько опережает плавление сердечника (см. рис. 1). На рис. 27 приведена кинограмма , иллюстрирующая процесс образования, роста и отрыва одной капли при сварке порошковой проволокой трубчатой конструкции с рутилорганическим сердечником. Отставание процесса плавления сердечника от плавления оболочки нежелательное явление и вызывает ухудшение показателей сварки и снижение эффективности защиты металла от воздуха. Замедленное плавление сердечника затрудняет сварку короткой дугой, кроме того, частицы нерасплавившегося сердечника, попадая в сварочную ванну, засоряют металл шва шлаковыми включениями.

На соотношение скорости плавления оболочки и сердечника существенное влияние оказывают режим сварки ( сила тока и напряжение дуги), конструкция проволоки и ее состав.

Влияние режима сварки на плавление порошковой проволоки иллюстрируется рис. 28. На малом токе и напряжении дуги выступающая часть сердечника имеет форму, близкую к цилиндрической , длиной не более 2—3 мм. При увеличениии тока ее длина увеличивается и может достигать 4—6 мм. С ростом напряжения отставание плавления сердечника также увеличивается, но под воздействием тепла столба дуги его выступающая часть приооретает коническую форму.

Значительное влияние на характер плавления порошковой проволоки оказывает содержание металлических порошков в сердечнике. Чем больше содержится в сердечнике металлических порошков, тем меньше длина неоплавившейся части сердечника. На рис. 29 показаны концы двух порошковых проволок, отличающихся одна от другой содержанием железного порошка в сердечнике. Однако увеличение доли железного порошка и соответственное уменьшение количества неметаллических составляющих в сердечнике проволоки приводит к снижению эффективности защиты расплавленного металла.

Поэтому при разработке композиции сердечника количество защитных неметаллических материалов в нем устанавливают из условия обеспечения надежной защиты металла от воздуха и благоприятного соотношения скоростей плавления оболочки и сердечника.

О влиянии состава газошлакообразующей части сердечника проволоки на характер плавления говорят наблюдения за процессом сварки порошковыми проволоками, содержащими в сердечнике карбонаты кальция и натрия (мрамор и кальцинированную соду) или их смесь (при одинаковом суммарном количестве карбонатов в проволоке). Выход углекислого газа при полной диссоциации мрамора, согласно данным термогравиметрического анализа, составляет 41,1%, а при разложении кальцинированной соды — 40,6%, т. е. общее количество выделившегося при плавлении проволоки углекислого газа примерно одинаково. Из сравнения кинокадров (рис. 30), иллюстрирующих плавление двух проволок, содержащих в одном случае мрамор, а в другом — мрамор и соду, видно, что более благоприятным плавлением обладает проволока, содержащая смесь карбонатов. Объяснение этим явлениям можно найти, если обратиться к процессам, происходящим при нагревании смесей порошков, содержащих карбонаты. В параграфе 2 было показано, что в смесях, содержащих один из карбонатов (мрамор или соду), выделение углекислого газа происходит в сравнительно узком диапазоне температур. Наличие соды в смеси приводит к раннему образованию шлакового расплава. В смеси порошков мрамора и соды выделение углекислого газа равномерно в широком диапазоне температур и также сопровождается ранним образованием расплава.

Равномерное плавление сердечника и оболочки достигается также применением легкоплавких шлаковых систем эвтектического состава или введением плавней, например фтористого кальция .

В состав проволок, применяющихся для сварки в углекислом газе, нет необходимости вводить газообразующие материалы, поскольку надежная защита расплавленного металла обеспечивается защитным газом. Отсутствие в проволоке карбонатов и других газообразующих материалов упрощает задачу создания композиции сердечника, обеспечивающего благоприятное плавление, перенос металла и минимальное его разбрызгивание.

В некоторых случаях при создании самозащитных проволок не удается изменением состава сердечника получить равномерное плавление с сохранением хороших защитных свойств.

Для получения благоприятного плавления проволоки необходимо улучшить условия подвода тепла к частицам порошкообразного сердечника, уменьшить толщину слоя материала с низкой теплопроводностью. Наиболее полно удовлетворяет этим условиям двухслойная конструкция проволоки (см. рис. 4, я). В проволоке такой конструкции для достижения равномерного плавления сердечника и оболочки слои сердечника разделены между собой двумя слоями ленты, представляющей собой одно целое с оболочкой проволоки. Благодаря такому выполнению проволоки имеется возможность ввести внутрь оболочки большое количество металлической составляющей, а возможность размещения двух различных шихт в сформированных полостях облегчает создание надежной защиты металла атмосферы воздуха.

Компоновка сердечника проволоки двухслойной конструкции также влияет на характер плавления и переноса металла. Расположение всех металлических порошков сердечника проволоки во внутренней полости таково, что капля формируется преимущественно в нейтральной части сечения проволоки (рис. 31). Выделение газов из этой части невелико, поэтому создаются условия, приближающие проволоку к покрытому электроду, когда втулка покрытия создает защитный барьер для оплавляющегося в центре металла.

Все рассмотренные пути улучшения характера плавления порошковой проволоки в большей или меньшей степени использованы при разработке промышленных марок порошковой проволоки.

Перенос электродного металла при сварке порошковой проволокой. Оценку характеристики переноса металла при сварке порошковой проволокой производят обычно по следующим основным показателям:

электрода:

— масса жидкого металла, остающегося на торце проволоки после отрыва капли.

показывает, в течение какого промежутка

представляет усредненное время существования переходящей капли с массой т .

определяется суммой

— время перелета капли через дуговой промежуток.

Параметры переноса металла изменяются в значительных пределах в зависимости от режима сварки, состава сердечника и других факторов.

Ниже приведены некоторые экспериментальные данные по переносу металла, полученные при сварке самозащитными порошковыми проволоками рутил-органического и карбонатно-флюоритного типов.

Влияние режима сварки на массу капель при расплавлении проволоки с рутил-органическим сердечником иллюстрируется данными, приведенными в табл , 3. Масса капель условно разделена на три группы: мелкие — до 50 мг; средние—от 50 до 150 мг; крупные — свыше 150 мг. Доля каждой группы выражена в процентах. При малом токе основную долю составляют крупные капли. С увеличением тока увеличивается доля капель средних размеров за счет уменьшения крупных. Количество мелких капель изменяется незначительно. При малом напряжении основную долю переходящих капель составляют капли массой 50—150 мг. При увеличении напряжения масса капель уменьшается.

32 (эти данные и все последующие представляют средние значения из 3—5 опытов). С ростом тока в интервале 180—460 а наблюдается уменьшение времени между переходами и увеличение частоты переходов. Средняя масса капель уменьшается незначительно.

, возрастает п. Масса отрывающихся капель также уменьшается.

Характер переноса металла зависит также от плотности тока. Показатели переноса, полученные при сварке проволокой диаметрами 2,0; 2,5 и 2,8 мм с рутил-органическим сердечником, показаны на рис. 34. При постоянной силе тока (250 а) с ростом плотности тока размеры капель уменьшаются. Это связано прежде

всего с увеличением температуры капель. Действительно, при сварке проволокой диаметром 2,8 мм температура капель в среднем равна 2100° С , при сварке проволокой диаметром 2,0 мм при той же силе тока она составляет 2600° С (см. параграф 4). Отрыву капель при уменьшении диаметра проволоки может в какой-то мере способствовать уменьшение поверхности контакта капли с оболочкой и сердечником проволоки.

Проволока двухслойной конструкции, в которой все металлические порошки расположены во внутренней полости, характеризуется переносом более крупных (по сравнению с трубчатой конструкцией) капель, поскольку капля формируется, как это отмечалось выше, в центральной части сердечника и площадь контакта жидкой капли с проволокой больше.

.

достигает 300—400° С. Нагрев до такой температуры органических газообразующих составляющих (крахмала, целлюлозы) приводит к диссоциации их еще до попадания в зону плавления. Защита металла ухудшается, содержание кислорода и азота в металле шва повышается (рис. 36), размеры капель уменьшаются.

При сварке проволокой карбонатно-флюоритного типа увеличение вылета не оказывает существенного влияния на перенос металла, поскольку нагрев проволоки на вылете в меньшей степени сказывается на ее защитных свойствах (диссоциация газообразующих материалов — мрамора, соды, магнезита — происходит при

более высокой температуре). На связь окислительного потенциала проволоки и размеров капель указывают также данные, приведенные в табл. 4. Проволока, не содержащая крахмала, характеризуется мелкокапельным переносом, а наплавленный металл—повышенным содержанием кислорода. Введение в проволоку крахмала способствует укрупнению капель, содержание

кислорода в металле, благодаря улучшению газовой защиты уменьшается. Однако увеличение размеров капель наблюдается только до определенного содержания крахмала. Если оно более 2%, размер капель уменьшается.

Это явление вызвано интенсивным выделением из сердечника газов, приводящим к дроблению капель.

Повышение окислительного потенциала проволоки за счет введения в сердечник богатых кислородом материалов также способствует мелкокапельному переносу металла. По данным, приведенным на рис. 37, с увеличением содержания в проволоке хромпика время между переходами капель и их масса уменьшаются, частота отрыва капель увеличивается.

Введение в проволоку карбонатно-флюоритного типа раскислителей и легирующих способствует укрупнению капель (рис. 38, 39, 40), что связано с увеличением силы поверхностного натяжения, обусловленного более глубокой раскисленностью металла. Это подтверждается результатами газового анализа металла, наплавленного проволоками с различной степенью легирования (рис. 41).

Изменение газо-шлакообразующей части сердечника при постоянном окислительном потенциале проволоки незначительно сказывается на величинах тср , Л И /71ср.

Таким образом, характер плавления проволоки и переноса металла в сварочную ванну определяется составом сердечника, в первую очередь его окислительным потенциалом, конструкцией проволоки и режимом сварки.