 |
2.1.4. Газовые потоки в дуге. 2.1.5. Перенос металла через дугу
|
|
|
|
2. 1. 4. Газовые потоки в дуге
Ионизированный газ (плазма) дуги не является стационарной системой и существует в виде газового потока, направленного вдоль её оси. Эти потоки, движущиеся со скоростью до нескольких сотен метров в секунду, оказывают механическое воздействие на сварочную ванну. Главными причинами возникновения газовых потоков являются интенсивное поверхностное испарение металла электродного стержня в области активного пятна дуги и выделение большого количества газов, образующихся при разложении покрытия и прохождения ряда реакций, а также действие электродинамических сил пинч-эффекта, возникающих в столбе дуги.
Появление электродинамической силы обусловлено взаимодействием проводника с током и магнитным полем, создаваемым этим током. Возникающие в электрическом проводнике электродинамические силы Р направлены по радиусу к оси проводника и стремятся его сжать (пинч-эффект). Под их влиянием внутри проводника создаётся давление. В центре проводника давление достигает максимума, на периферии оно равно нулю.
В проводниках переменного сечения (к ним можно отнести столб дуги при ручной дуговой сварке) возникает сила Ро, направленная вдоль оси и действующая от меньшего сечения к большему.
2. 1. 5. Перенос металла через дугу
При ручной дуговой сварке конец покрытого электрода нагревается до температуры 2100…2300оС. Нагрев до таких температур происходит за счёт теплоты сварочной дуги, а также теплоты, выделяющейся в самом электроде при прохождении через него сварочного тока на участке «токоподвод-дуга». Интенсивный нагрев конца электрода вызывает плавление электродного стержня и покрытия, сопровождаемого стеканием жидкого металла в виде капель в сварочную ванну.
|
|
|
 |
Перенос расплавленного электродного металла через дуговое пространство является сложным физическим процессом. При ручной дуговой сварке различают два вида переноса: через одинарную дугу и через двойную.
Рис. 2. 4. Схема переноса расплавленного электродного металла при ручной дуговой сварке (без коротких замыканий):
а, б – при одинарной дуге (активное пятно дуги находится на торце электрода); а, в – при двойной дуге (активное пятно дуги находится на капле); 1 – стержень электрода; 2 – электродное покрытие: 3 – слой расплавленного металла; 4 – жидкий шлак; 5 – капля электродного металла; 6 – дуга; 7 – вторая дуга
 |
Кроме того, перенос металла может протекать как без коротких замыканий крупных и мелких капель, так и с короткими замыканиями. Перенос металла без коротких замыканий, как правило, характерен для сварки удлинённой дугой, с короткими замыканиями – для сварки короткой дугой и опиранием.
Рис. 2. 5. Действие осевой составляющей Ро электродинамической силы пинч-эффекта на каплю электродного металла (жидкий шлак условно не показан):
а – перенос металла без коротких замыканий; б – то же, с короткими замыканиями; (1 – покрытый электрод; 2 – капля электродного металла; 3 – активное пятно дуги; 4 – дуга; 5 – сварочная ванна)
Вид и характер переноса электродного металла зависят от состава, влажности и толщины покрытия, режимов и положения сварки. Для сварки электродами с основным покрытием свойственен крупнокапельный перенос металла, с кислым и рутиловым покрытием – мелкокапельный.
Основными силами, действующими на каплю расплавленного электродного металла и влияющими на её формирование и перенос через дугу при ручной сварке, являются: силы тяжести и поверхностного натяжения, электродинамическая сила пинч-эффекта, силы реактивного давления паров и газов и давления газовых (плазменных) потоков.
|
|
|
Сила тяжести может способствовать или препятствовать переносу капель в дуге. При нижнем положении шва сила тяжести способствует отрыву капли от торца электродного стержня и переносу её в сварочную ванну. При потолочном положении шва сила тяжести, наоборот, противодействует переносу капли.
Сила поверхностного (межфазного) натяжения – одна из главных сил, удерживающих каплю на электроде при всех его положениях. Эту силу формально можно представить в виде механической силы, действующей в тонкой растягиваемой молекулярной плёнке, окружающей каплю жидкого металла. Увеличение поверхностного натяжения способствует росту размеров и массы капли, образуемой на торце электродного стержня и переносимой через дуговой промежуток сварочной ванны.
Величина поверхностного натяжения жидкого металла определяется его химическим составом. Наличие небольшого количества поверхностно-активных веществ (ПАВ), например, кислорода, может привести к значительному снижению поверхностного натяжения. Так, высокое содержание кислорода в жидком металле и шлаке, имеющее место при сварке электродами с кислым и рутиловым покрытием, снижает межфазное натяжение на границе металла со шлаком, вследствие чего уменьшается размер переносимых через дугу капель. Увеличение температуры капель также приводит к снижению поверхностного натяжения и способствует уменьшению размеров капель, что и наблюдается при ручной сварке на повышенном токе.
Электродинамическая сила пинч-эффекта и её осевая составляющая Ро может оказывать значительное воздействие на каплю жидкого металла, способствуя её отделению от электрода и переходу в сварочную ванну независимо от взаимного пространственного расположения электрода и шва. Возникновение и действие силы Ро обусловлено тем, что жидкая капля может представлять собой проводник переменного сечения с малым сечением у основания (шейки) капли и с большим сечением на её внешней поверхности – в месте активного пятна дуги или в месте замыкания капли на сварочную ванну (рис. 2. 5). Поскольку электродинамическая сила пинч-эффекта пропорциональна квадрату силы тока, то наиболее ощутима она при сварке на повышенных режимах, а также при сварке с короткими замыканиями (как правило, на короткой дуге).
|
|
|
Реактивная сила давления паров и газов возникает за счёт интенсивного поверхностного испарения в зоне активного пятна дуги металла электродного стержня, выделения в этой зоне паров воды и газов, образующихся при разложении компонентов электродного покрытия и прохождения химических реакций, в том числе сопровождаемых получением окиси углерода. В результате чрезвычайно быстрого прохождения на поверхности электродного стержня этих процессов появляется усиление отдачи (реакции) паров и газов, направленное к плоскости активного пятна дуги. Под действием этой реактивной силы истечения паров и газов (на рис. 2. 4а она показана пунктиром) расплавленный металл на торце электрода деформируется, и часть его выдавливается с образованием покрытого шлаком выступа (рис. 2. 4а), который отрывается и, увлекаемый мощным газовым потоком дуги в виде капли, переносится в сварочную ванну.
Следует отметить, что в ряде других случаев реактивная сила давления паров препятствует отделению и переносу капли электродного металла через дуговой промежуток. Это происходит, когда реактивная сила приложена к активному пятну дуги, расположенному на капле (рис. 2. 4в).
Сила давления газовых (плазменных) потоков дуги при ручной сварке направлена от электрода к сварочной ванне. В зависимости от вида переноса расплавленного металла через дугу она может способствовать отрыву капли от торца электрода и переходу её через дуговой промежуток (рис. 2. 4б) или переносу капли через дугу (рис. 2. 4в).
|
|
|
