При какой полярности коэффициент расплавления электродного металла больше
Технологические возможности ручной электродуговой сварки покрытыми электродами характеризуется, прежде всего, производительностью процесса. Эта величина определяется в первом приближении скоростью расплавления металлического электродного стержня ν(см/мин). Наравне с линейной скоростью плавления определяют массовую (весовую), выраженную в г/мин. (2):
g – погонный вес электродного стержня г/см.
ν– скорость расплавления металлического электродного стержня
Погонный вес электродного стержня может быть определен экспериментально - путем взвешивания или расчетом по формуле (3):
d - диаметр электродного стержня, см;
g - плотность материала электродного стержня, г/см 3 .
Многочисленными исследованиями установлено, что скорость плавления электрода для ручной дуговой сварки зависит не только от состава электродного покрытия, но и от электрических параметров режима сварки - силы сварочного тока Iд и напряжения дуги Uд. С изменением последних двух величин изменяется мощность дуги, а, следовательно, и количество тепла, затрачиваемого на расплавление электродного материала. Поэтому наиболее объективной оценкой производительности сварки покрытыми электродами считают скорость расплавления электродного стержня, отнесенную к единице сварочного тока. Эта характеристика именуется коэффициентом расплавления и имеет размерность г/(А´час).
Для определения коэффициента расплавления необходимо скорость расплавления электродного стержня, выраженную в г/мин., разделить на силу сварочного тока, при которой получена данная скорость расплавления (4):
g - масса электродного стержня, г/см;
Dlст - длина электродного стержня, расплавленного при сварке, см;
Iсв - сила сварочного тока, А;
tсв - время, за которое был расплавлен электродный стержень длиной Dlст, мин.
αрзависит от состава сварочной проволоки и покрытия электрода, веса покрытия, а так же рода и полярности тока. Для стальных электродов коэффициент расплавления может колебаться в пределах от 5 до 20 г/А´ч, составляя в среднем 8…12 г/А´ч.
В процессе расплавления электродного материала и перехода его в сварочную ванну, металл подвергается воздействию высоких температур до (6000°С) и системы сил, определенным образом ориентированных в пространстве. При этом часть металла испаряется, а часть - разбрызгивается. Кроме того, в состав электродных покрытий вводят различные металлические порошки - ферросплавы и чистые металлы, которые в процессе плавления принимают участие в металлургических реакциях. Часть этих порошков переходит в сварочную ванну и является дополнительным присадочным материалом. Таким образом, количество металла, пошедшего на образование сварочного шва, зачастую отличается от количества расплавленного электродного стержня.
Поэтому производительность сварки следует определять по скорости наплавки. Скорость (или производительность) наплавки определяют как изменение веса свариваемых изделий за время сварки. При этом не учитывают вес брызг и шлака, остающихся после сварки на сварном шве и прилегающих участках свариваемых деталей (5):
DG - изменение веса свариваемых деталей, г;
t – время сварки, мин.
Изменение электрических параметров режима сварки приводит к изменению производительности наплавки. Поэтому принято определять коэффициент наплавки, являющийся отношением скорости наплавки к силе сварочного тока (6):
где DG - изменение веса свариваемых изделий после наложения шва или вес наплавленного металла , г.;
I- сила сварочного тока, А;
t- время, за которое было наплавлено DG грамм металла, мин.
Коэффициент наплавки (αн) меньше коэффициента расплавления (αр) на величину потерь электродного металла при сварке, составляющих от 5 до 20%.
При сварке на переменном токе электродами с толстым покрытием величина коэффициента наплавки может быть в пределах
αн= 6…18 (г/А´ч), составляя в среднем αн= 7…10 (г/А´ч).
Величину коэффициента наплавки важно знать при нормировании сварочных работ. Обозначим через V – скорость сварки ( см/ч); F– площадь поперечного сечения шва (см 2 ), тогда:
,см/ч(7)
где ρ – плотность металла, г/см 3 .
Следовательно, скорость сварки будет тем выше, чем больше коэффициент наплавки и больше ток.
Соотношение между коэффициентами наплавки и расплавления или скоростями наплавки и расплавления определяет коэффициент использования электродного стержня или выход наплавленного металла (8):
Коэффициент наплавки является главной и объективной оценкой производительности сварки электродами любой марки. Эта характеристика обязательно указывается в паспорте на электроды и в каталогах.
Для более детальной оценки сварочно-технологических свойств покрытия электродов принято определять коэффициент веса покрытия (КВП), коэффициент шлаковой защиты (КШЗ), коэффициент использования электродов или выход годного металла (КЭ) и коэффициент набрызгивания, коэффициент веса покрытия - это отношение веса электродного покрытия GПОКР к весу электродного стержня GЭЛ.СТ. такой же длины (9).
Обычно коэффициент веса покрытия колеблется в пределах 30-40%. Коэффициент шлаковой защиты - отношение веса шлака GШЛ, полученного при выполнении шва, к весу наплавленного металла (10):
Эта величина определяет степень защиты металла сварочной ванны от окружающей газовой атмосферы и колеблется в пределах 33-38%.
Снижение коэффициента газовой защиты вредно сказывается на механических свойствах металла шва, а с увеличением - значительно усложняет процесс сварки из-за избытка шлака в зоне горения дуги.
Коэффициент набрызгивания - отношение веса металлических и шлаковых брызг к весу наплавленного металла - определяет необходимые затраты рабочего времени и энергии на очистку сварных конструкций и деталей (11).
Для определения расхода электродов на сварку очень удобной является величина выхода годного металла или коэффициент использования электрода (12):
где Gэл.ср. - вес сгоревшей части электрода в г.
Обычно выход годного металла не превышает 65-70%.
Коэффициент потерь (Ψ) – характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение, окисление
,(13)
Gн – масса наплавленного металла, г,
Gp – масса расплавленного металла, г.
Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и её покрытия, но так же от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке в тавр с разделкой кромок, чем при наплавке.
Производительность процесса дуговой сварки – определяется количеством наплавленного металла (Gн):
, (14)
Чем больше ток, тем выше (Gн). Однако при значительном увеличении сварочного тока для применяемого диаметра электрода – последний может быстро нагреваться теплом Джоуля-Ленца:
,(15)
что резко понизит качество сварочного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. А перегрев электрода увеличивает, к тому же, разбрызгивание металла.
Погонная энергия.
Количество тепла, вводимое дугой в свариваемый металл в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью. Она меньше полной тепловой мощности дуги и слагается:
1. Из тепла, выделяющегося в пятне дуги на свариваемом металле.
2. Тепла, вводимого в металл за счёт теплообмена со столбом дуги и её пятном на свариваемом металле.
3. Тепла, вносимого в свариваемый металл с каплями расплавленного металла электрода, электродного покрытия (или флюса).
Эффективная тепловая мощность подсчитывается по формуле:
где Uд – напряжение на дуге, В,
Iд – сила сварочного тока, А,
h – эффективный коэффициент полезного действия.
Эффективным к.п.д. процесса нагрева металла сварочной дугой называется отношение количества введенного в металл тепла к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги.
Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообмена в дуговом промежутке по отношению к нагреву металла изделия и зависит в основном от способа сварки.
Отношение эффективной тепловой мощности дуги Qэф к скорости перемещения дуги называется погонной энергией:
где Vсв – скорость перемещения дуги или скорость сварки, см/с.
Таким образом, погонная энергия – это количество тепла, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика.
При какой полярности коэффициент расплавления электродного металла больше
В большинстве случаев сварку под флюсом выполняли с применением источников питания, рассчитанных только на постоянный (ОС) или переменный (АС) ток.
При дуговой сварке под флюсом постоянным током основным преимуществом является стабильность процесса, недостатком — усложнение оборудования для сварки и необходимость применения сварочных выпрямителей.
При сварке переменным током отрицательным фактором всегда является время, затрачиваемое на переход с прямой полярности на обратную. В определенных случаях при переходе через ноль возникают проблемы с обеспечением стабильности горения дуги, проплавлением и наплавкой валика.
Кроме того, авторы работ отмечают изменение коэффициента наплавки и глубины проплавления при изменении полярности, подчеркивая, что род и полярность тока влияют на форму и размеры шва. При сварке постоянным током обратной полярности глубина провара примерно на 40—50 % больше, чем при сварке постоянным током прямой полярности. При сварке переменным током глубина провара на 15—20 % меньше, чем при сварке постоянным током обратной полярности. Такое влияние рода и полярности тока объясняется выделением различного количества теплоты на аноде и катоде.
Однако известно, что в анодной области дуги энергии выделяется значительно больше, чем в катодной. На катоде не вся выделяемая энергия переходит в теплоту, часть ее уносится электронами в плазму. На аноде, наоборот, потенциальная энергия и термическая энергия электронов прибавляются к энергии, определяемой анодным падением, и, следовательно, при прямой полярности глубина проплавления должна быть больше.
Появление нового поколения сварочных источников питания позволяет выполнять сварку как переменным, так и постоянным током, при этом появляется возможность регулировать баланс тока, сдвиг фаз и частоту. Функция баланса позволяет изменять время, в течение которого дуга горит на обратной/прямой полярности. Величина баланса определяется как доля положительного полупериода (обратная полярность) по отношению к длительности периода волны. Изменяя соотношение положительного и отрицательного полупериодов волны, возможно изменять соотношение между фазами наплавки и проплавления. Таким образом, с помощью данной функции можно исключать прожоги и изменять коэффициент наплавки.
До настоящего времени влияние баланса тока на формирование сварного шва при сварке плавящимся электродом является малоизученным, поэтому исследование возможностей управления формой шва и проплавления за счет изменения формы эпюры переменного тока при сварке под флюсом, является актуальным.
Методика проведения исследований. Для определения влияния баланса на проплавление провели экспериментальные исследования с применением сварочного оборудования фирмы «Линкольн Электрик» (США), в состав которого входит инверторный источник питания АС/С 1000. Этот источник питания оснащен цифровой системой управления, позволяющей строить различные эпюры переменного и для качественного расплавления электрода. На остальных режимах получены качественные валики. Значения геометрических параметров наплавленных валиков (средние значения по трем измерениям) и скорости подачи проволоки приведены в таблице.
Влияние величины и полярности тока на скорость плавления проволоки. График зависимости скорости подачи проволоки от величины и баланса сварочного тока приведен на рис. 3. Видно, что с ростом сварочного тока скорость подачи проволоки во всех случаях увеличивается, что связанно с увеличением скорости плавления электрода, но при прямой полярности скорость подачи (плавления) превышает скорость подачи, полученную при всех исследуемых вариантах параметров режима и во всем диапазоне значений тока. Так, например, увеличение тока на 150А (от 500 до 650 А) при прямой полярности ведет к увеличению скорости подачи проволоки на 0,014 м/мин (от 0,043 до 0,057 м/мин), а при переходе с обратной полярности постоянного сварочного тока без изменения аппаратной конфигурации и регистрировать сварочный ток, напряжение дуги и скорость подачи проволоки в режиме реального времени.
Сварку выполняли при падающей вольт-амперной характеристике и прямоугольной форме эпюры переменного тока с частотой 60 Гц. При такой характеристике устанавливали предварительные значения тока и напряжения, а в процессе сварки цифровая система синергетического управления регулировала скорость подачи проволоки таким образом, чтобы обеспечить установленное значение сварочного напряжения. Эго позволило при регистрации скорости подачи проволоки судить об изменении скорости плавления электрода в зависимости от режимов сварки.
Исследования проводили при наплавке валиков на составной образец, представлявший собой две пластины размером 250 х 170 х 12 мм из стали Ст3, которые собирали встык с помощью прихваток. На один образец при различном балансе тока наплавляли несколько валиков поперек стыка пластин (рис. 1). Перед наплавкой каждого последующего валика для соблюдения постоянства условий эксперимента проводили контроль температуры образца. Валики наплавляли постоянным током прямой (р) и обратной (100 %) полярности и переменным током с изменением баланса от 25 до 75 % (рис. 2) низкоуглеродистой проволокой (0,05—0,15 % С; 0,80—1,25%Мп; 0,10—0,35 % $1) диаметром 4 мм под флюсом 761 на следующих режимах: сварочный ток 400—650 А; напряжение дуги 29 В; скорость сварки 30 м/ч. На каждом режиме выполняли наплавку трех валиков. После выполнения наплавки составной образец разрушали вдоль линии стыка двух пластин для проведения измерений геометрических размеров проплавления и наплавленного валика.
Результаты проведенных исследований. Установлено, что при сварочном токе 400 А процесс сварки электродом диаметром 4 мм нестабильный, что связано с недостатком энергии на прямую при токе 650А она увеличивается на 0,023 м/мин (от 0,034 до 0,057 м/мин), т. е. в 2 раза больше.
Производительностью расплавления электродов называют массу расплавленного дугой электродного материала в единицу времени, г/ч. Ее определяют по формуле Пэ = аэ/, где аэ - коэффициент расплавления электрода, представляющий собой массу расплавленного электродного металла, приходящуюся на 1А тока в течение часа горения дуги, и зависящей от марки электродного покрытия, плотности тока, его рода, полярности и др. (обычно аэ = 7. 22 г/(А-ч)); / сил а тока сварки, А. Производительность наплавки Пн определяется по формуле Пн-ОСн/. --"^^ЯИ Коэффициент ан меньше коэффициента расплавления аэ на величину потерь электродного материала на разбрызгивание, испарение и угар в процессе горения дуги. Обычно ан < аэ на 1. 3 г/(А-ч). Коэффициент потерь электродного металла 1|/ составляет 3. 20 %. Менее 3 % потерь электродного металла обычно не бывает. Потери более 20 % делают конкретный способ сварки при данных условиях нерациональным. Значения коэффициентов расплавления и наплавки используются для расчета и учета расхода электродов и нормирования времени сварки. Контрольные вопросы
1. Что называют электрической дугой?
2. Что такое сварочная дуга?
3. Из каких зон состоит сварочная дуга?
4. Каковы особенности вольтамперной характеристики сварочной дуги?
5. Что такое ионизация газа?
6. Как и почему возбуждается дуга при коротком замыкании электрода на изделие?
7. Как возбуждают дугу с помощью осциллятора?
8. В чем особенности горения дуги на переменном токе?
9. Что такое эффективный КПД дуги?
10. Какие известны три основных типа переноса электродного металла через дугу?
11. Что такое магнитное дутье?
12. Как устранить влияние магнитного дутья?
13. Как определить производительность расплавления электрода?
14. Как определить производительность наплавки?
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Источником питания (ИП) сварочной дуги называют устройство, которое обеспечивает необходимый род и силу тока дуги. Источник питания и сварочная дуга образуют взаимосвязанную энергетическую систему, в которой ИП выполняет следующие основные функции: обеспечивает условия начального возбуждения (зажигания) дуги, ее устойчивое горение в процессе сварки и возможность производить настройку (регулирование) параметров режима. Важной технической характеристикой ИП, которая обусловливает возможность его работы с той или иной разновидностью дуги, является зависимость напряжения U на "сварочных" зажимах (клеммах) ИП от сварочного тока I. Эту зависимость называют внешней вольтамперной характеристикой (В АХ) ИП. Наиболее характерные В АХ для известных ИП (рис. 50): крутопадающая 7, пологопадающая 2 и жесткая 3. Устойчивое горение дуги и, следовательно, качественное формирование сварного шва возможны при выполнении ряда условий. Одно из них - равенство напряжения и тока ИП напряжению и току дуги. Это возможно, если ВАХ источника и ВАХ дуги пресекаются хотя бы в одной точке. Например, дуга будет устойчивой, если ВАХ источника 1 пересекает ВАХ 4,5 и 6 дуги, характерные для ручной дуговой сварки, а это возможно, только если источник имеет крутопадающую ВАХ. В процессе ручной дуговой сварки часто происходят значительные изменения длины дуги и, следовательно, падения напряжения на нее. При таких изменениях точка пересечения ВАХ будет смещаться, например из точки А2 в точку А у Это вызовет изменение силы тока на величину Д/, которая будет тем меньше, чем круче ВАХ источника. Значит, источники с крутопадающей характеристикой для ручной сварки предпочтительнее. Источники с пологопадающей ВАХ применяют для автоматической сварки под флюсом, с жесткой - для полуавтоматической и автоматической сварки плавящимся электродом в защитных газах. Использование таких ВАХ уменьшает потери мощности в сварочных трансформаторах по сравнению с крутопадающими ВАХ и увеличивает эффект саморегулирования дуги, горящей с плавящегося электрода. Рассмотрим сущность этого эффекта. Уменьшение силы тока сварки, например при увеличении длины дуги, ведет к уменьшению скорости плавления электродного металла. При неизменной скорости подачи проволоки конец ее при меньшей скорости плавления приблизится к изделию. Длина дуги уменьшается, возрастают сила тока и скорость плавления проволоки. Процесс продолжается до восстановления прежних значений силы тока и длины дуги. Эффект выражен тем сильнее, чем большими изменениями силы тока сопровождаются колебания длины дуги, что и наблюдается при пологопадающих и жестких ВАХ источника. Другая важная характеристика источника - диапазон регулирования тока от /mjn до / тах , что необходимо при изменениях толщины свариваемого металла и диаметра электрода. Этот диапазон характеризуют отношением Кр = /тах//min, которое называют кратностью регулирования. Современные источники имеют Кр = 3. 6. При сварке плавящимся электродом процесс возбуждения дуги начинается с кратковременного (доли секунды) короткого замыкания (к.з.) электрода на изделие. Источники питания должны обеспечивать силу тока /к з, превосходящую рабочее значение силы тока дуги в 1,5. 2 раза. Работу любого источника характеризуют три основных его состояния: режим холостого хода (сварочная цепь разомкнута, дуга не горит), режим короткого замыкания (в сварочной цепи течет ток короткого замыкания /к 3) и режим нагрузки (горит дуга при заданном рабочем токе). Этим состояниям соответствуют определенные точки его ВАХ (см. рис. 50). При производстве сварочных работ источник находится или в рабочем состоянии в течение времени /р, или в режиме холостого хода в течение времени tn. Оба состояния периодически повторяются. Поэтому принято говорить, что ИП работает в повторно-кратковременном режиме, который характеризуют продолжительностью включения (ПВ). Этот показатель определяют по одной из формул: или ПВ(%) = —2—100. 'р+'п 'р+'п ГОСТ 18311-72 предусматривает в зависимости от условий работы источника значения ПВ = 5; 10; 15; 30; 65; 100, с учетом которых для каждого типа источника тока рассчитывают номинальный ток /ном, при котором источник не будет нагреваться: 100 ПВ(%) Здесь /дп - длительный допустимый ток при ПВ = 100%. Источники питания изготавливаются различной мощности на номинальные токи —• силой от 40 до 5000 А, конкретные значения которых в этих пределах установлены ГОСТ. Значение ПВ и номинального тока - это параметры источника питания. Наряду с ними возможности источника и область его применения при сварке характеризуются диапазоном регулирования значения ^ сварочного тока, напряжением питающей сети и коэффициентом полезного действия. 3~ По роду тока в сварочной цепи различают источники переменного тока - сварочные однофазные и трехфазные трансформаторы, специализированные установки для сварки алюминиевых сплавов, а также источники постоянного тока - сварочные выпрямители и гене1- раторы с приводами различных типов. По количеству обслуживаемых постов могут быть однопостовые и многопостовые, а по применению - общепромышленные и специализированные источники питания. К общепромышленным относятся источники питания для ручной .) дуговой сварки покрытыми электродами, а также для механизированной сварки под флюсом. В обозначениях источников питания первая буква - это их тип: [- Т - трансформатор, В - выпрямитель, Г - генератор, У - установка. Вторая и третья буквы - вид и способ сварки: Д - дуговая, П - плазменная, Ф - под флюсом, Г - в защитных газах, У - универсальный источник. Отсутствие третьей буквы означает ручную сварку. Четвертая буква обозначает дополнительные сведения: Д - многопостовой, И - для импульсной сварки. Первая цифра после букв - сила номинального сварочного тока в сотнях ампер, две последующие цифры - регистрационный номер изделия. Буквы и цифры после них климатическое исполнение: У - умеренный, Т - тропический, М морской климат. Например, ТД301У2 означает, что это трансформа я тор (Т) для дуговой (Д) ручной сварки штучными электродами (отсутствие третьей буквы), с номинальным током 300 А, регистрационный номер 01 для умеренного климата (У), второй категории размещения (2).
Плавление и перенос металла в дуге
Тепловая характеристика дуги. Электрическая дуга выделяет значительное количество тепла, которое образуется вследствие превращения энергии движения частиц в тепловую энергию при столкновении их с анодом, катодом и друг с другом.
Под действием тепла дуги основной металл расплавляется на некоторую глубину, называемую глубиной проплавления или проваром.
Основное количество тепла дуги выделяется в катодной и анодной зонах. В самой дуге выделяется меньшая часть тепла, расходуемого на испарение расплавленного металла и покрытия электрода и частично теряемого в окружающую среду.
Например, при сварке на постоянном токе угольной дугой выделяется на аноде — около 42%, на катоде — около 38% и в столбе — около 20% общего тепла дуги. Анод подвергается более сильной бомбардировке частицами, поэтому на нем выделяется больше тепла.
Температура дуги также различна и составляет: при использовании угольных электродов — для катода около 3200° С, для анода около 3900° С; при использовании стальных электродов — для катода около 2400° С, для анода около 2600° С.
Полная тепловая мощность дуги Q подсчитывается по формуле
где I — сварочный ток, а;
Uд — напряжение дуги, в, а 0,24 коэффициент перевода электрических величин, кал/вт*сек
Количество тепла, вводимое дугой в свариваемый металл в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью дуги. Она меньше полной тепловой мощности дуги и слагается из следующего: тепла, выделяющегося в пятне дуги на свариваемом металле; тепла, вводимого в металл за счет теплообмена со столбом дуги и ее пятном на свариваемом металле; тепла, вносимого в свариваемый металл с каплями расплавленного металла электрода, электродного покрытия и флюса. Эффективную тепловую мощность дуги q можно подсчитать по формуле
Здесь буквой n рбозначен эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент n равен:
Тепловой режим сварки характеризуется количеством тепла, вводимого в металл на единицу длины шва. Эта величина называется погонной энергией сварки и выражается отношением:
где v — скорость сварки, см/сек.
Величина погонной энергии имеет большое значение при определении рационального режима сварки легированных термообрабатываемых сталей.
Примерные балансы использования тепла сварочных дуг приведены в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что при сварке под флюсом тепло дуги используется более полно, так как эффективная мощность дуги выше.
Перенос металла в дуге. Дуга расплавляет электрод с довольно большой скоростью; например, стальной электрод длиной 450 мм расплавляется за 1,5—2 мин. Расплавленный электродный металл переносится в сварочную ванну в виде капель разного размера — от тысячных долей мм до 5—6 мм диаметром. Размер капель определяется в первую очередь плотностью тока в электроде, а также зависит от состава электрода и покрытия, электромагнитных явлений в дуге и других факторов, определяемых способом сварки. При ручной дуговой сварке в виде капель переносится до 90% электродного металла, остальные 10%—это брызги и пары, значительная часть которых теряется. В зависимости от диаметра капли в секунду может переноситься: при диаметре 1 мм — до 150, при 2 мм — до 20, при 5—6 мм — от 1 до 2 капель.
Перенос металла в виде крупных капель с кратковременным замыканием дугового промежутка характерен для сварки электродами с тонким (меловым или др.) стабилизирующим покрытием и сварки в защитных газах, при плотностях тока до 50 а/мм 2 на обратной полярности, а при сварке на прямой полярности — даже и при более высоких плотностях тока в электроде, но при низком напряжении дуги.
Перенос металла в виде потока мелких капель без замыкания ими дугового промежутка характерен для сварки толстопокрытыми электродами и сварки под флюсом. В этом случае большинство капель заключено в оболочку из шлака. Так же переносится металл и в процессе сварки в защитных газах при плотности тока в электроде от 50 до 100 а/мм 2 . И наконец, металл переносится в виде очень мелких, часто отделяющихся от электрода капель. Капли образуют сплошную струю жидкого металла: поэтому такой перенос называется струйным переносом металла и характерен для сварки в аргоне плавящимся электродом из нержавеющей стали при высоких плотностях тока.
В момент прохождения через дуговой промежуток металл нагревается до 2100—2300° С и при этой температуре протекают все металлургические процессы и химические реакции в капле.
Производительность процесса плавления металла. Количество электродного металла, расплавленного за определенное время, подсчитывают по формуле
где Gp — количество расплавленного металла электрода, г;
Кр— коэффициент расплавления, г/а-ч; I — величина сварочного тока, а; t — время горения дуги, ч.
Из формулы следует, что чем больше ток и длительнее горит дуга, тем большее количество металла будет расплавлено.
Коэффициентом расплавления КР называется количество расплавленного электродного металла в граммах в течение одного часа, приходящееся на один ампер сварочного тока, т. е.
Коэффициент расплавления зависит от материала электродного стержня, состава покрытия, а также от рода и полярности тока.
Для стальных электродов коэффициент расплавления может колебаться в пределах от 5 до 20 г/а*ч, составляя в среднем 8— 12 г/а * ч.
При сварке, вследствие частичного окисления, испарения и разбрызгивания, часть жидкого электродного металла теряется и не переходит в наплавленный металл шва.
Для подсчета количества наплавленного металла нужно в приведенной выше формуле коэффициент расплавления КР заменить величиной Кн, называемой коэффициентом наплавки. Коэффициент наплавки Кн равен
где GH — количество наплавленного металла, г.
При сварке на переменном токе электродами с толстым покрытием значения коэффициента наплавки могут быть в пределах Кн = 6-18 г/а*ч, составляя в среднем Кн= 7- 10 г/а * ч (см. табл. 5).
Коэффициент наплавки Кн меньше коэффициента расплавления КР на величину потерь электродного металла при сварке. Эти потери выражаются коэффициентом потерь, представляющим отношение разности количеств расплавленного и наплавленного электродного металла к количеству расплавленного. Коэффициент потерь обозначают буквой и выражают в процентах, определяя его по формуле
Величина коэффициента потерь ψ в % составляет: при сварке тонкопокрытыми электродами 10—20, толстопокрытыми 5—10, в защитных газах 3—6, под флюсом 1—3.
Пример. Сварка производится толстопокрытыми электродами током 300 а. Кн =11 г/а*ч. За 1 ч горения дуги сварщик может наплавить металла:
11 • 300=3300 г, или 3,3 кг.
Знать величину коэффициента наплавки важно для нормирования сварочных работ. Обозначим через v — скорость сварки, см/ч; F — площадь поперечного сечения шва, см 2 . Тогда скорость сварки можно подсчитать по формуле
где число 7,85 обозначает массу 1 см 3 наплавленного металла (стали), г.
Следовательно, скорость сварки будет тем выше, чем выше коэффициент наплавки Кн и чем больше ток I.
Пример: Кн =11 г/а*ч; I = 300 а; F=l,l см 2 . Скорость сварки составит:
Автор: Администрация
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
Особенности сварки на прямой полярности
Производительность процесса. Изучением производительности некоторых методов сварки плавящимся электродом на прямой полярности занимались многие исследователи. И. И. Заруба показал, что при сварке на прямой полярности под флюсами ОСЦ-45, АН-348, АН-3 коэффициенты наплавки выше, чем при сварке на обратной полярности. Повышение коэффициентов наплавки на прямой полярности было установлено также при сварке плавящимся электродом в инертных газах и некоторых активных газах (водород, аргоно-азотная смесь, московский отопительный газ).
Детальное изучение влияния полярности на коэффициенты наплавки при сварке в углекислом газе на токах 200-500 а (рисунок справа) показало, что коэффициенты наплавки на прямой полярности в 1,6-1,8 раза больше, чем при сварке на обратной полярности.
Значительное повышение коэффициента наплавки, а следовательно, и скорости плавления электродной проволоки при сварке на прямой полярности указывает на то, что на электроде выделяется значительно больше теплоты, чем при сварке на обратной полярности, когда электрод является анодом. Расчет показывает, что при сварке на прямой полярности количество теплоты, затраченной на плавление электродного металла, почти на 1/3 больше, чем при сварке на. обратной полярности (табл. ниже).
Количество тепла, расходуемого на плавление электродного металла при сварке в углекислом газе на прямой и обратной полярности:
Геометрия шва. При сварке на прямой полярности доля наплавленного металла в шве намного больше, чем при сварке на обратной полярности (рисунок ниже слева). Глубина проплавления, наоборот, при сварке на прямой полярности резко уменьшается (рисунок ниже справа).
Химический состав металла шва. Химический состав металла, наплавленного в углекислом газе на прямой и обратной полярности, приведен в таблице ниже.
Содержание углерода в металле, наплавленном на прямой полярности, меньше, а кремния и марганца больше, чем в швах, выполненных на обратной полярности. Изменение концентрации элементов связано с отмеченным выше изменением соотношения наплавленного и основного металла, так как коэффициенты усвоения элементов в обоих случаях практически одинаковы.
Обращают на себя внимание высокие коэффициенты усвоения углерода металлом шва. Это может быть связано с крайне незначительным выгоранием углерода из сварочной ванны при сварке в углекислом газе, а также из электродной проволоки, когда содержание углерода в ней невелико. Последнее подтверждает данные об отсутствии выгорания углерода при его концентрации менее 0,1 %.
Стабильность горения дуги. Наиболее простым способом оценки стабильности горения дуги является, как известно, ее разрывная длина. Приведенные в табл. 37 результаты измерений разрывной длины дуги при сварке в углекислом газе на прямой обратной полярности и для сравнения при сварке под флюсом ОСЦ-45 (обратная полярность) показывают, что разрывная длина дуги на прямой полярности значительно меньше, чем на обратной.
Интересно отметить то обстоятельство, что разрывная длина дуги, горящей в атмосфере углекислого газа на прямой полярности, не меньше разрывной длины дуги при сварке на обратной полярности под флюсом ОСЦ-45.
Опыты показали, что сварка проволокой диаметром 2 мм на прямой полярности на относительно небольших токах (200-300 а) характеризуется пониженной стабильностью горения дуги, большим разбрызгиванием (15-18%) и худшим формированием шва по сравнению со сваркой на обратной полярности. В связи с этим нецелесообразно на этих токах производить сварку на прямой полярности. На более высоких токах (свыше 400 а) дуга горит значительно устойчивее, разбрызгивание заметно уменьшается, формирование шва улучшается. Например, при сварке на прямой полярности током 400 а потери металла на разбрызгивание, угар и испарение снижаются до 8%, а при токе 500 а - до 3-5%.
Содержание водорода в металле шва. Обследование швов, сваренных на прямой полярности проволокой, имеющей на поверхности ржавчину, выявило в них мелкие поры. В изломах разрывных образцов, изготовленных из этих швов, были обнаружены флокены (рисунок ниже).
Причиной образования флокенов является, как известно, водород, растворившийся в металле шва. Водород также может снижать пластические свойства металла. Было установлено, что из швов, сваренных на прямой полярности, выделяется в 3-5 раз больше водорода, чем из швов, сваренных в одинаковых условиях на обратной полярности (таблица ниже).
Повышение содержания водорода в наплавленном металле при переходе от обратной полярности к прямой наблюдалось также при сварке под флюсом и объяснялось растворением водорода в виде протона при отрыве электрона от атома по реакции.
Количество выделившегося водорода из металла, наплавленного под защитой углекислого газа:
При сварке на обратной полярности избыток электронов, который можно ожидать вблизи поверхности сварочной ванны, сдвигает равновесие реакции влево и препятствует растворению водорода. При сварке на прямой полярности условия поглощения водорода металлом ваяны шва более благоприятны.
Возможен и другой механизм увеличения содержания водорода в шве при сварке на прямой полярности. Количество капель, переносимых через дугу в единицу времени при сварке на прямой полярности значительно больше (рисунок слева), чем при сварке на обратной полярности. В связи с этим увеличивается поверхность их контакта с газами, а следовательно, может увеличиться и содержание водорода в жидком металле.
Увеличение степени осушки углекислого газа (таблица выше) снижает содержание водорода в шве.
Механические свойства швов. При сварке в углекислом газе на прямой и обратной полярности механические свойства многослойных швов практически одинаковы (таблица ниже).
Опыты показали, что хорошее качество сварных- швов достигается при полуавтоматической сварке на прямой полярности на. токах 400-500 а.
Изучение особенностей сварки на прямой полярности позволяет определить область ее наиболее эффективного использования. Большая доля наплавленного металла в шве обеспечивает снижение содержания углерода (в особенности при сварке сталей с повышенной его концентрацией), а следовательно, и снижение склонности швов к образованию горячих трещин.
Эта особенность, а также высокая производительность процесса сварки на прямой полярности позволяют рекомендовать ее, главным образом, для исправления дефектов в стальном литье и наплавочных работ.
Механические свойства металла многослойных швов при сварке на прямой и обратной полярности литой стали 35Л и малоуглеродистой стали Ст. 3
Читайте также: