Влияние рода полярности тока на плавление электродного и основного металла при сварке под флюсом. Разница между прямой и обратной полярностью Недостатки процесса сварки FCAW
В книге рассмотрены технологические свойства электро сварочных дуг при сварке низкоуглеродистыми электрода ми с различными покрытиями. Показано влияние энергетически: процессов у катода, анода и в столбе дуги па производительность расплавления и проплавляющее действие электродов, а также на перенос металла в дуге и устойчивость ее горения. Установлен характер изменения энергетического состояния отдельных зон дуги при внесении в нее различных веществ.
На основе теории распространения тепла при сварке разработаны способы расчета некоторых технологических характеристик электродов.
Книга рассчитана на инженеров, научных работников и аспирантов, интересующихся вопросами применения дугового разряда и его энергетическими особенностями.
Свойства электрической дуги должны оказывать решающее влияние на особенности процесса сварки электродами. Это связано с тем, что дуга является основным источником тепловой энергии. Другие возможные источники энергии (подогрев электрода током и тепло химических реакций при плавлении покрытия) имеют второстепенное значение. Это подтверждается следующими данными. При нагреве сварочным током стержней диаметром 4-5 мм из низкоуглеродистой стали при плотности тока до 20 ajмм2 в них выделяется лишь около 20% тепла, необходимого для плавления, причем основное количество тепла выделяется в конце расплавления электрода, когда значительно возрастает его омическое сопротивление из-за разогрева . Термический эффект химических реакций для наиболее распространенных промышленных электродов, определенный в работе с помощью специальной методики калориметрирования, не превышает ±8-9% мощности дуги.
Энергетические характеристики сварочных дуг зависят от типа покрытия электрода. Эта зависимость может быть установлена при одинаковом токе I по разнице в напряжении горения дуги Да, так как мощность дуги составляет /Да* Целесообразно сравнивать между собой величины так называемого номинального напряжения горения дуги (напряжение дуги, характерное для данного электрода при оптимальном режиме сварки).
Ниже приведены значения номинального напряжения горения дуги, полученные А. А. Ерохиным для низкоуглеродистой проволоки с различными тонкими покрытиями на постоянном токе прямой полярности (в в):
Без покрытия............................................................18
Тонкий слой жидкого стекла......................................17
Мел и жидкое стекло............................................... 15
Кварцевый песок и жидкое стекло.............................24
Каолин и жидкое стекло...........................................28
Очевидно, что сварочные дуги с более высоким номинальным напряжением при прочих равных условиях будут более мощными. Причина изменения мощности сварочной дуги при нанесении тех или иных покрытий кроется в изменении физических условий существования дугового разряда, вызываемом покрытиями.
В настоящее время характеристики конкретных электрических дуг при сварке различными электродами изучены чрезвычайно слабо. В определенной степени известны лишь явления в столбе дуги. В то же время почти не исследованы процессы в приэлектродных областях, имеющие большое значение для понимания технологической роли электрической дуги в сварочном процессе. Результаты исследовании несварочных электрических дуг дают некоторое представление о явлениях в приэлектродных областях сварочных дуг. Так, в связи с разнообразием типов электрических дуг физиками делались попытки приблизительно классифицировать их по явлениям па катоде.
А. Энгель считает, что самоподдерживающие электрические дуги целесообразно разделить на две группы: дуги, у которых катоды заметно испаряются при температурах, когда термоэлектронная эмиссия еще отсутствует (дуги с «холодным» катодом), и дуги, в которых катоды имеют температуру, достаточную для значительной термоэлектронной эмиссии (дуги с термокатодом).
Основу низкоуглеродистых сварочных электродов составляет железо, температура кипения которого равна примерно 2740° С. Имеющиеся в стали примеси могут приводить к снижению температуры кипения электрода или к избирательному кипению при температуре ниже температуры кипения железа. Например, марганец испаряется уже при 1900° С, потери его при сварке за счет испарения могут быть значительными. Поверхность капель на конце электрода почти всегда покрыта шлаками и окислами, температура кипения которых также может быть ниже температуры кипения железа (А!203-2250е С, Si02- 2230° С и т. д.). Температура железных катодов, покрытых шлаками и окислами в связи с их испарением в дуге и значительными затратами энергии на такое испарение, может не достигать температуры кипения железа
При сравнительно низкой температуре кипения железа и возможных примесей и шлаков заметная термоэлектронная эмиссия с поверхности капель при атмосферном давлении теоретически невозможна и поэтому сварочные дуги с плавящимися электродами должны быть отнесены по классификации Энгеля к дугам с «холодным» катодом. Следует отметить, что разделение дуг, предложенное Энгелем, не является строгим. Исследования показали, что благодаря локальным повышениям давления и температуры в катодной области в дугах с «холодным» катодом, также возможна термоэлектронная эмиссия.
В последнее время появились более тонкие феноменологические градации дуг. Так, В. Финкельнбург и Г. Меккер считают, что существуют дуги без катодного пятна, дуги с весьма сжатым и неподвижным катодным пятном и нестационарные туги с катодным пятном, находящимся в быстром и хаотическом движении. В нестационарных дугах очень мало время существования катодного пятна, которое при своем исчезновении сменяется вновь образующимся подобным пятном (или несколькими пятнами). Эти дуги по своим параметрам (ток, давление, состояние поверхности катода) наиболее близко пот ходят к сварочным дугам с плавящимся электродом.
В работе указывается, что на интенсивность движения шипа существенно влияет материал катода. Найдена связь между интенсивностью испарения катода и перемещением пятна. При плохо испаряющихся катодах пятно перемещается интенсивнее.
Дуга с катодным пятном при некоторых условиях может переходить в дугу без пятна. По мнению В. Вейцеля, в дуге без катодного пятна существенную роль играет термическая эмиссия электронов с катода. В дуге же с катодным пятном в контрагированной плазме у катода образуется облако положительных ионов, вырывающее из него электроны.
Дуга без пятна на переменном токе должна гореть без пиков напряжения в каждый полупериод из-за большой тепловой инерции электродов. В дуге с катодным пятном всегда наблюдается пик напряжения в начале каждого из полупериодов. Энергия, затрачиваемая на этот пик, расходуется на пере ориентацию облака положительных ионов и создание необходимых эмиссионных условий у катода.
Изучение явлений в катодной области, несомненно, имело бы важное значение и для сварочных дуг, однако для дуг с плавящимся электродом это затруднено, так как малая длина душ наличие втулочки из покрытия и перенос капель металла метают прямым наблюдениям в катодной области.
Несмотря на это, могут быть получены некоторые данные, убеждающие в существенном отличии процессов па катоде у сварочных дуг различных электродов. Например, анализируя сварку на переменном токе по осциллограммам напряжения, можно установить, что дуги различных электродов по характеру возбуждения в каждый полупериод и, следовательно, по характеристикам катодов отличаются друг от друга. В случае электродов ЦМ7, ОММ5 и ЦЦ1 пики напряжения при возбуждениях дуги существуют в каждом полупериоде, и по В. Вейнелю такие дуги могут быть отнесены к дугам с катодным пятом. Наибольшие пики напряжения наблюдаются у электродов ЦЦ1. Электроды с основным покрытием (УОНИ13, СМИ, > 112) при таких же режимах образуют дугу с пиком напряжения только в одном полупериоде (рис. 1).
Отличия имеются и в интенсивности блуждания пятна. Например, как показывает скоростная киносъемка, на электродах с меловым покрытием катодное пятно перемещается медленно, в то время как на электродах с покрытием из плавикового шпата оно быстро передвигается по поверхности капли.
Перемещение пятна непостоянно. Некоторое время оно может находиться в относительном покое и затем внезапно начать двигаться. Пятно может совершать быстрые вращательные движения вокруг капли. По кинокадрам, снятым со скоростью 5000 кадров в 1 сек, трудно судить, является ли перемещение пятен непрерывным или скачкообразным. В случае очень быстрого движения пятна создается впечатление, что оно гаснет и мгновенно вновь возникает в новом более благоприятном месте, которое может находиться даже с другой стороны капли Анодное пятно, подобно катодному, также может интенсивно блуждать. Таким образом, поведение активных пятен сварочной дуги соответствует по классификации В. Финкельнбурга и Г. Меккера третьему типу дуг с нестационарным катодным пятном.
Весьма вероятно, что природа перемещения пятна на жидком катоде при сварке близка к природе блуждания пятна на ртутном катоде, который также относится к катодам «холодного» типа. Катодное пятно на ртути состоит из отдельных ячеек. Перестройка этих ячеек (появление новых и исчезновение старых) приводит к быстрому хаотическому перемещению всего пятна. Размеры ячеек весьма малы. Плотность тока в одной ячейке составляет около 106 а/см2. Дуги с ртутных катодов благодаря ячеистому строению катода могут гореть одновременно с нескольких катодных пятен. Аналогичное явление в ряде случаев наблюдается при скоростной киносъемке сварки низкоуглеродистой проволокой при плотности тока более 18 а/мм2 па прямой полярности.
Таким образом, даже чисто феноменологическое рассмотрение показывает, что электрические дуги при сварке различными электродами имеют существенные отличия в протекающих в них физических процессах. Эти отличия и являются причинами изменения как мощности дуги, так и ее устойчивости при нанесении различных покрытий.
Отличия в физических и энергетических характеристиках луг неизбежно должны приводить к разным технологическим характеристикам электродов. Наблюдения показывают, что сварочные дуги, потребляющие большую мощность, характеризуйются более интенсивным блужданием активных пятен. Впервые па связь между номинальным напряжением дуги и ее устойчивостью обратил внимание Г. М. Тиходеев. Номинальное напряжение связано также со скоростью плавления электрода. Это было установлено И. Д. Давыденко и А. А. Ерохиным.
Несмотря на практическую важность этих фактов, взаимосвязи технологических характеристик электродов с особенностями электрических сварочных дуг посвящено сравнительно мало работ. Можно указать лишь на несколько работ в этом направлении.
Так, К- К- Хренов показал, что вещества с низким потенциалом ионизации, вводимые в дугу даже в небольших количествах, способствуют повышению ее устойчивости и позволяют производить сварку на переменном токе. В этой работе повышение устойчивости дуги связывалось с увеличением степени ионизации плазмы.
А. А. Ерохин установил, что коэффициент расплавления при прямой полярности увеличивается с ростом номинального напряжения дуги. При обратной полярности коэффициент расплавления в меньшей степени зависит от номинального напряжения. Этот результат исследовании А. Л. Ерохина, как будет показано ниже, имеет принципиальное значение.
В ряде работ было показано, что свойства сварочных дуг с плавящимся электродом и технологические характеристики процесса зависят от полярности при сварке, материала электродов, состояния их поверхности и атмосферы дуги. Однако в этих работах в большинстве случаев не делается попыток связать энергию дуги и технологические характеристики электродов.
Исследования в основном посвящены рассмотрению явлений с столбе дуги. Можно указать, например, на характерные в этом отношении монографии К. К. Хренова, A. Я. Броуна и Г. И. Погодина-Алексеева, Г. М. Тиходеева. Однако столб сварочной дуги обычно потребляет незначитечьную долю энергии и не может оказать существенного влияния на взаимен действие дуги и электродов. Значительно большее влияние на это взаимодействие должны оказать малоизученные приэлектродные области дуги.
На большое значение энергии, выделяемой в приэлектродных областях, при оценке теплового действия дуги па электрод обратил внимание Б. Е. Патон, который пишет: Лаши исследования и исследование, проведенное в последнее время в Институте электросварки Д. М. Бабкиным, показали, что основная тепловая энергия, идущая на нагрев и плавление электрода, выделяется в приэлектродной области».
Из работ, посвященных сварочной дуге, можно назвать лишь несколько, в которых плавление электрода исследуется в связи с характеристиками приэлектродных областей. Д. М. Бабкин рассмотрел действие приэлектродных областей мощной сварочной дуги под флюсом па плавление электродной проволоки. Хотя некоторые положения работы Д. М. Бабкина (равное значение электронного и ионного тока на катоде) встречают возражения, им впервые высказана важная идея о необходимости раздельного рассмотрения действия приэлектродных областей на плавление электрода и выполнены соответствующие расчеты. Японский исследователь С. Одзава сделал аналогичную попытку рассмотреть плавление различных электродов в связи с энергией в приэлектродных областях дуги.
Определенное отрицательное влияние на развитие исследований приэлектродных зон сварочной дуги оказало неверное положение К. Комптона о том, что для дуг высокого давления катодное падение напряжения численно равно потенциалу ионизации дугового газа. Это создавало иллюзию возможности расчета падения напряжения в катодной области сварочной дуги по величине потенциала ионизации паров металла электрода без проведения специальных измерений. На основе такой точки зрения, например, была сделана попытка создать модель сварочной дуги, в которой катодное падение напряжения различных дуг с плавящимся электродом из низкоуглеродпстой стали во всех случаях равнялось 8 в, что примерно соответствовало потенциалу ионизации паров железа В действительности катодное падение напряжения сварочном дуги может сильно отличаться в зависимости и от состояния поверхности электрода, типа покрытия или флюса, режима сварки, и такая модель не является обоснованном.
Очевидная связь между явлениями в дуге и технологическими характеристиками сварочных электродов создает определенные возможности по регулированию технологических свойств сварочных щектродов, которое можно осуществлять несколькими путями. Можно в определенных пределах стабилизировать процессы в дуге (улучшить устойчивость горения и уменьшить разбрызгивание) за счет соответствующего выбора электрических параметров источников тока и сварочной цепи. Принцип такого регулирования заключается в подборе правильных обратных связен в системе дуга - сварочная цепь - источник тока, что связано главным образом с установлением определенной формы вольт-амперной характеристики источника тока и его шнамических свойств.
Эти явления подробно исследованы Б. Е. Патоном. В. П. Никитиным, И. Я- Рабиновичем, В. К. Лебедевым и М. Н. Сидоренко, Д Б. Кейта и др. Этот способ можно назвать внешним способом регулирования синологических свойств.
Другой, значительно менее изученный способ регулирования технологических свойств электродов заключается в активном воздействии на энергетические процессы в самой дуге за счет введения в дугу различных веществ, иногда в весьма малых количествах.
Результатам исследования возможности такого регулирования технологических свойств электродов посвящена данная книга.
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.
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%.
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).
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.
Характер плавления и переноса электродного металла оказывает большое влияние на производительность сварки, взаимодействие металла со шлаком и газами; от него зависят устойчивость горения дуги, потери металла, формирование шва и другие технологические факторы.
Плавление электрода. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная или массовая скорости плавления, измеряемые длиной или массой расплавленного электрода (проволоки) в единицу времени. Скорость плавления зависит от состава сварочной проволоки, покрытия, флюса, защитного газа, режима сварки, плотности и полярности тока, вылета электрода и ряда других факторов. Но и для одних и тех же условий сварки скорость плавления электрода не остается постоянной, а может постепенно изменяться. Поэтому на практике используют в качестве характеристики среднюю скорость плавления электрода, которая обычно определяется за некоторый произвольный, но значительно превосходящий длительность периода капельного перехода промежуток времени.
Поскольку средняя скорость плавления сильно зависит от режима сварки, при оценке влияния различных факторов на плавление электрода иногда удобнее пользоваться удельным (отнесенным к единице тока) значением этой характеристики, получившим название коэффициента расплавления. Скорость плавления электрода Gp связана с коэффициентом расплавления ар выражением
где k - коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.
Важнейшими показателями, характеризующими процесс плавления электрода, являются также коэффициент наплавки ссн и коэффициент потерь i|). Коэффициент наплавки, как и коэффициент расплавления, представляет собой удельное значение скорости
йаплавки. Скорость найЛавки бн связана с коэффиЦиён^бм й9-
плавки выражением
где gp и gn - соответственно массы расплавленного и наплавленного металла.
Выражение (2-14) справедливо лишь для электродов, не содержащих металлических присадок (железного порошка или ферросплавов) в покрытии.
При наличии металлических присадок в покрытии коэффициент "ф может получать отрицательные значения. В таких случаях он представляет собой разность между количеством потерянного металла и количеством металла, перешедшего из покрытия. Для электродов подобного типа суммарный коэффициент потерь можно определить из выражения
присадок металла из покрытия.
С помощью рассмотренных показателей можно определить такие характеристики, как выход наплавленного металла kc и выход годного металла k3.
Для электродов с металлическими присадками в покрытии этот показатель может быть значительно больше единицы (или больше 100%).
Выход годного металла k3 представляет собой отношение массы наплавленного металла к массе расплавленной части электрода:
части электрода; kn - коэффициент массы покрытия, представляющий собой отношение массы покрытия к массе покрытой части электродного стержня.
Скорость плавления электрода при всех способах дуговой сварки плавящиеся электродом возрастает с увеличением силы тока (рис. 2-23). В широком диапазоне режимов наблюдается пропорциональность между скоростью плавления электрода и силой сварочного тока. Однако в области малых и больших токов пропорциональность нарушается, что связано с изменением энергетических характеристик дуги, размера активных пятен и плотностей тока в них, нагревом электрода током. Увеличение скорости плавления электрода при больших плотностях тока вызвано также подогревом стержня электрода проходящим током. Нагрев электрода на вылете пропорционален квадрату силы тока, сопротивлению проволоки и длине вылета.
Скорость плавления электрода в основном определяется условиями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной областях и зависит от полярности тока. При сварке на обратной полярности коэффициент расплавления практически не зависит от состава проволоки, покрытия, флюса или защитного газа. При сварке же на прямой полярности коэффициент расплавления изменяется в широких пределах в зависимости от состава и состояния поверхности проволоки, составов покрытия, флюса или защитного газа (рис. 2-24). Соответственно изменяется и напряжение дуги. В практике обычно пользуются значением номинального напряжения дуги UH - напряжения, характерного для данной марки электрода, проволоки, флюса или защитного газа при рабочей длине дуги.
Скорость плавления электрода можно регулировать, изменяя силу тока или величину катодного падения напряжения. Возможность увеличения скорости плавления покрытых электродов за
счет увеличения силы тока ограничена в связи с перегревом стержня электрода. При автоматических и полуавтоматических способах сварки это
ограничение менее существенно из-за малых вылетов проволоки.
Введение в проволоку, покрытие или флюс веществ, повышающих катодное падение напряжения (а следовательно, и номинальное напряжение дуги), способствует повышению скорости плавления проволоки на прямой полярности. Изменение состава защитного газа оказывает сравнительно небольшое влияние на скорость плавления проволоки. Нанесение на сварочную проволоку небольших количеств солей щелочных или щелочноземельных металлов резко понижает скорость плавления катода. Это явление иногда используется для так называемого активирования проволоки с целью замедления скорости плавления и получения мелкокапельного переноса металла на прямой полярности.
При сварке покрытыми электродами скорость плавления электрода зависит и от толщины покрытия. Утолщение покрытия приводит к дополнительным затратам теплоты на его плавление, а также к увеличению мощности, выделяемой в столбе дуги. У электродов без металлических добавок в покрытии увеличение толщины покрытия ведет к бесполезным затратам на его плавление. Вводя в покрытие металлические добавки или железный порошок, можно существенно увеличить скорость наплавки. Увеличение толщины покрытия и повышение содержания в нем железного порошка позволяют значительно повысить плотность тока без опасения перегрева стержня электрода. Все эти факторы способствуют увеличению производительности сварки.