Раздел II. ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА ПРИ СВАРКЕ

НАЗАД: 2.2.5. Перенос металла в дуге

2.2.6. Управляемые формы переноса электродного металла

Мелкокапельный перенос можно получить при сварке на низких режимах короткой дугой. Недостатком этого процесса является сравнительно узкий диапазон режимов, соответствующих низким и частично средним плотностям тока. Поэтому применение сварки короткой дугой в ряде случаев невозможно из-за недостаточной производительности процесса.

Основной недостаток сварки длинной дугой – повышенное разбрызгивание и в ряде случаев неудовлетворительное формирование швов. Для получения мелкокапельного или струйного переноса при сварке длинной дугой требуются большие токи. Это не всегда применимо, так как в этом случае имеем глубокое проплавление, большое количество наплавленного металла. Кроме того, струйный процесс требует применения в качестве защитного газа аргона, дорогого и дефицитного газа.

Особенно остро стоит вопрос получения удовлетворительного переноса металла при сварке в СО₂ средних толщин (4 ¸ 8 мм) на токах 250 ¸ 380 А. В этих условиях приходится создавать управляемые формы переноса металла. Для получения управляемого переноса металла необходимо либо уменьшить силу поверхностного натяжения, удерживающую каплю на конце электрода, либо каким-то образом воздействовать на каплю, сорвать ее с конца электрода до того момента, когда она достигает большего размера.

В настоящее время на практике применяют два способа управления переносом металла:

нанесение активаторов на поверхность электродной проволоки;

процесс импульсно-дуговой сварки (ИДС).

Активирование проволоки состоит в нанесении на ее поверхность (путем окунания в раствор) водных растворов активаторов. Для этого применяются соли элементов с низкой работой выхода электрона. Наилучшие результаты получены при использовании водного раствора, в котором массовая доля Cs₂CO₃ составляет 7,35 %, a Na₂CO₃ – 1,2 %. При такой концентрации активатора расход Cs₂CO₃ составляет (250¸380) г на 1 тонну сварочной проволоки диаметром 1,6 мм. При такой ничтожно малой концентрации Cs и Na (не поддающейся определению в дуговом промежутке) дуга качественно меняет свой характер. Активация электрода при сварке в СО₂ на прямой полярности позволяет при достижении критических токов, как и при сварке на обратной полярности в Ar, получить струйный перенос металла, отличающийся минимальным разбрызгиванием, отличным формированием шва. Величина критического тока определяется эффективным потенциалом ионизации:

. (2.21)

Активация же анода (сварка на обратной полярности) не вызывает заметных изменений свойств дуги.

При сварке в активных газах активированной проволокой на прямой полярности производительность расплавления электродной проволоки уменьшается в 1,5 ¸ 2 раза по сравнению со сваркой неактивированной проволокой и в предельном случае становится равной производительности на обратной полярности.

Введение активаторов значительно снижает эффективный потенциал ионизации и катодное падение напряжения дуги. Снижается температура столба дуги. При сварке на прямой полярности катодное пятно становится устойчивым и занимает торец и часть боковой поверхности электрода, т.е. сечение дуги становится больше сечения электрода. Увеличивается действие пинч-эффекта, отрываются капли малого диаметра.

При достижении критического тока при сварке на прямой полярности активированным электродом дуга с перемещающимся катодным пятном и преобладанием автоэлектронной эмиссии переходит в дугу без ярко выраженных активных пятен, в которой значительную роль играет термоэлектронная эмиссия.

Низкое значение эффективного потенциала ионизации (не более 6,5 В) является необходимым, но не достаточным условием достижения струйного переноса металла. Нужно обеспечить низкую теплопроводность газа в дуговом промежутке. Пары Cs, Na, K, имеющие более низкую теплопроводность по сравнению с СО₂, снижают теплопроводность газа в дуговом промежутке.

В ИЭС им. Е.О. Патона разработаны две марки активированной проволоки, в которых активаторы помещены в шихту наподобие порошковой проволоки. Их марки АП-АН1 и АП-АН2. По сравнению со сваркой в СО₂ проволокой Св-08Г2С при использовании этих активированных проволок коэффициент потерь снижается с (10¸12) % до (2¸3) %. В состав шихты помимо активаторов входят раскислители и шлакообразующие. Кроме того, в ИЭС предложено использовать активирующие покрытия, осаждаемые на сварочные материалы (проволоку или ленту) методом испарения и конденсации в вакууме.

Наибольшие успехи в управлении переносом электродного металла осуществлены применением импульсно-дуговой сварки (ИДС). Этот процесс имеет широкое применение в промышленности. ИДС называют процессы, в которых перенос электродного металла и другие характеристики задаются определенной программой изменения тока, напряжения и длины дуги. Считают, что это наиболее простой и надежный способ управления переносом металла и повышения стабильности процесса. Применение ИДС позволяет снизить нижний предел базового сварочного тока и получить мелкокапельный перенос металла.

Уменьшение размеров капель сопровождается меньшим выгоранием легирующих элементов, улучшением формирования шва. Принудительно направленный перенос электродного металла значительно упрощает технику наложения швов с помощью полуавтоматов в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях.

Проще всего применять ИДС на режимах, соответствующих длинной дуге. Осциллограмма такого процесса представлена на рис. 25.а. Это ИДС с жестким режимом. С частотой 50 (100) Гц на дугу, горящую при каком-то базовом токе I_б, подается кратковременный импульс пикового тока I_ПИК, превышающий базовый в 2 ¸ 3 раза. Пиковый ток резко увеличивает силы пинч-эффекта, пропорциональные квадрату тока, это позволяет отрывать капли с конца электрода в момент, когда она еще не достигла большой величины.

Рис. 25. Осциллограмма процесса ИДС:

а – с жестким режимом; б – с управлением переноса металла; t_и – время импульса;

t_п – время паузы; t_кз – время короткого замыкания; Т_ц – время цикла

В последние годы разработаны сложные схемы управления переносом металла. Основная их идея заключается в том, чтобы исключить свободный полет капли, обеспечить ее переход в момент КЗ электрода с изделием при минимальном разбрызгивании металла и исключении грибовидных швов.

В качестве примера на рис. 25,б приведена осциллограмма процесса сварки в СО₂ проволокой диаметром 1,2 мм тонколистовой стали, разработанного М. Лифшицем. Здесь величина тока дуги I_Д = 9A, тока короткого замыкания 11А, пикового тока – 450 А.

В данном случае пиковой ток обеспечивает резкое увеличение скорости плавления электрода, формирует каплю на конце электрода, которая переходит в сварочную ванну в момент КЗ электрода с изделием. Так как величина тока КЗ небольшая, то разбрызгивание практически отсутствует.

ДАЛЕЕ: 3.1. Основные теплофизические величины, понятия и определения