Перенос электродного металла при сварке по слою активаторов

Введение внутрь металлической основы электродной проволоки большого количества легкоионизируемых активаторов позволяет получить в углекислом газе благоприятный с технологической точки зрения струйный (при токе прямой полярности) или мелкокапельный (при токе обратной полярности) перенос металла [1]. Полученный эффект, по мнению авторов указанной работы, достигается тем, что легкоионизируемые компоненты активаторов способствуют расширению столба дуги и активных пятен за пределы капель, в результате чего изменяется направление действия электромагнитной силы в сторону их отрыва. В качестве основных причин этого явления, анализ которых выполнен с помощью расчетов, рассматриваются уменьшение эффективного потенциала ионизации и рост степени ионизации плазмы дуги, а также снижение теплопроводности окружающего дугу газа. Однако к такому же результату могут привести изменения поверхностных явлений на электроде (снижение работы выхода [2] или поверхностного натяжения расплавленного металла [З]).

Сложность указанных явлений не позволяет в настоящее время провести достоверную количественную оценку их вклада в изменение вида переноса электродного металла. Поэтому с целью качественной оценки вклада дуговых ионизационных процессов в изменение вида переноса металла исследовано влияние большого количества активаторов на дугу при их нанесении на пластину, а не на электрод.

Опыты проводили при наплавке валиков на пластины из стали СтЗсп толщиной 10 мм, в которых в один ряд с шагом 7-8 мм просверлены отверстия диаметром и глубиной 6 мм. В отверстия до уровня поверхности пластины засыпали порошок активатора, количество которого было достаточным для горения дуги в парах металла активирующего вещества. В качестве активаторов использовали углекислые соли цезия или калия, а также азотнокислую соль бария. Такой способ активирования предотвращал сдувание с пластины большого количества активатора газовым или плазменным потоком, а дискретность введения активаторов вдоль шва практически не вносила дополнительной дестабилизации в процессе плавления электрода.

Для сварки применяли электродную проволоку Св-08Г2С диаметром 1,6 мм. В процессе сварки, которую выполняли со скоростью 26 м/ч, расстояние от торца токоподводящего мундштука до пластины поддерживали равным 25 мм в аргоне и 20 мм в углекислом газе. Для оценки действия активаторов на вид переноса металла, поведение и ток дуги синхронно осуществляли скоростную киносъемку с осциллографированием тока и напряжения процесса сварки в аргоне и углекислом газе при постоянной скорости подачи электрода vn, соответствующей среднему току сварки по чистой пластине — 300 А (см. таблицу). Наблюдающиеся колебания тока носили нерегулярный характер, что, вероятнее всего, связано с их неравномерным поступлением в дугу вследствие перемешивания расплавленного металла с активаторами в сварочной ванне. При сварке в аргоне током обратной полярности по чистой пластине наблюдается устойчивый струйный перенос металла. Конец электрода имеет форму конуса, от вершины которого отделяются мелкие капли металла. В дуге отчетливо выделяются три концентрически расположенные зоны: центральный ярко светящийся канал, внутренняя и периферийная зоны меньшего свечения.

Если в отверстия пластины засыпаны активаторы, то ток увеличивается, и на поверхности пластины появляются плазменные потоки, которые могут вызвать нарушения струйного переноса металла. Активаторы увеличивают длину дуги, причем, чем меньше потенциал ионизации металла применяемой соли, тем она больше.

В углекислом газе при сварке током обратной полярности по чистой пластине перенос металла осуществляется каплями, размер которых достигает двух-трех диаметров электрода. Анодное пятно и дуга относительно устойчивы и располагаются в основном под каплей. Под давлением дуги капля может вытесняться на боковую поверхность электрода. В этом случае после отрыва от электрода некоторые капли вылетают за пределы шва. Кроме того, наблюдается разбрызгивание и более мелкими каплями, образующимися при разрыве перемычки между электродом и большой каплей. Дуга, горящая по слою Таблица

Активатор Сварочный ток, А, при полярности
обратной прямой
Ar CO2 Ar CO2
Без активатора 300 300 300 300
К2СО3 330-350 320-370 300-385 280-360
Сs2СО3 325-400 330-370 400-600 360-585
Ва(NО3)2 325-375 330-390 460-600 380-490

Примечание. Значения тока измерены по осциллограммам процесса сварки.

активаторов, увеличивается в диаметре и становится неустойчивой вследствие перемещения катодного пятна по поверхности пластины. Размер капель уменьшается до одного-двух диаметров электрода и повышается частота их отделения. Из-за неустойчивости дуги несколько возрастают потери металла на разбрызгивание. При сварке по слою цезиевого активатора размеры дуги и анодного пятна увеличиваются настолько, что дуга охватывает почти весь жидкий металл на электроде. Тем не менее, дуга не выходит за пределы капли и мелкокапельный перенос металла не образуется. Следовательно, мелкокапельный перенос металла, полученный при введении активаторов внутрь электрода [1], вызван снижением поверхностного натяжения расплавленного электродного металла при его взаимодействии с ними. Факт такого снижения установлен в работе [3]. Увеличение тока, наблюдающееся при сварке в аргоне и углекислом газе, объясняется уменьшением работы выхода поверхности пластины-катода и катодного падения напряжения, а также возрастанием проводимости плазмы дуги.

Активаторы по-разному действуют на процесс сварки током прямой полярности. В аргоне активатор, содержащий калий, качественно не изменяет вида переноса металла и поведения дуги. Последняя периодически располагается под торцом электрода или охватывает его боковую поверхность, когда на ней образуется неярко светящаяся зона катодного пятна [4]. В отличие от процесса сварки по чистой пластине калий вдвое снижает частоту охвата дугой боковой поверхности электрода и примерно в 3 раза увеличивает время горения дуги на этой поверхности. Это приводит к возрастанию среднего тока дуги. Как отмечено в работе [5], указанное явление связано с уменьшением работы выхода поверхности электрода при попадании на нее калия. Углекислый цезий изменяет вид переноса металла до струйного, форма которого аналогична струйному переносу металла при сварке электродом, на который нанесено активирующее покрытие из солей цезия и натрия. Дуга приобретает пространственную устойчивость. Ярко светящаяся зона катодного пятна стабилизируется на торце электрода, а неярко светящаяся зона охватывает его боковую поверхность. Если она исчезает, то катодное пятно начинает перемещаться с большой скоростью по значительной части поверхности расплавленного металла и дуга теряет устойчивость.

При сварке в аргоне по слою азотнокислого бария катодное пятно, и дуга быстро перемещаются под каплей. С ее поверхности в местах локализации катодного пятна дуги вытягиваются тоненькие струйки. Однако основная масса расплавленного металла все же переносится каплями, поэтому такой вид переноса можно назвать капельно-струйным. Иногда устанавливается и устойчивый струйный перенос металла. В этом случае, вероятно, барий действует аналогично двухкомпонентному активирующему электродному покрытию, содержащему цезий [2]. По-видимому, переход от неустойчивого капельно-струйного переноса металла к устойчивому струйному связан с уменьшением количества бария, поступающего из дуги на поверхность электрода. Для подтверждения правильности этого предположения проводили опыты по сварке током прямой полярности электродной проволокой Св-08Г2С, на которую наносили активирующие покрытия азотнокислого бария из водных растворов различной концентрации. Определили, что переход от неустойчивого капельно-струйного переноса металла к устойчивому струйному достигается при концентрации активирующего раствора менее 0,5%. Для получения струйного переноса металла в аргоне необходимо даже меньшее количество бария в активирующем покрытии, чем цезия. Если бы образование струйного переноса металла зависело в основном от снижения эффективного потенциала ионизации плазмы дуги, как отмечено в работе [6], то бария в активирующем покрытии должно было быть значительно больше, чем цезия в соответствующем покрытии, так как потенциал ионизации бария (5,81 эВ) выше, чем цезия (3,89 эВ [7]). Из этого следует, что значительное увеличение тока и установление струйного переноса металла при сварке по активаторам, содержащим цезий или барий, обусловлено снижением работы выхода с электрода — катода в результате образования на его поверхности близких по своим свойствам слоев. Последние состоят из оксидов, обладающих примерно одинаковыми работами выхода (для Cs2О 0,99-1,17 эВ и для ВаО 0,99 эВ [8]).

Установлено, что барий попадает на электрод-катод с поверхности пластины [9]. Вероятный механизм попадания цезия, а также других щелочных металлов на неактивированную поверхность катода через дугу и из окружающей электрод атмосферы можно представить следующим образом. Независимо от схемы введения активатора в зону сварки при наличии паров цезия в дуге и вокруг электрода происходит конденсация цезия на поверхности катода. Этот процесс в данных тепловых условиях находится в определенном равновесии с процессом испарения атомов цезия, находящихся на поверхности. Чем выше парциальное давление паров цезия над поверхностью, тем больше цезия поступает на нее. Кроме того, он попадает на катод из столба дуги в виде ионов. После угасания дуги поступление паров цезия в окружающую электрод атмосферу быстро снижается. Это приводит к смещению равновесия процессов конденсации и испарения в сторону последнего. Так как температуры сублимации цезия и разложения его оксидов низки, а тепловое состояние вылета электрода инерционно, при остывании электрода происходит полное испарение цезия. Поэтому его нет на неактивированном электроде [9].

При сварке током прямой полярности в углекислом газе по чистой пластине перенос металла происходит крупными каплями, размеры которых достигают четырех-пяти диаметров электрода. Катодное пятно дуги быстро перемещается под каплей и часто переходит на нерасплавленный участок вылета у торца электрода. Из-за неустойчивости дуги наблюдается большое разбрызгивание электродного металла. Активатор, содержащий калий, в углекислом газе несколько увеличивает ток и приводит к уменьшению размера капель примерно в 2 раза. Однако характер процесса не изменяется. Цезиевый активатор, как и в аргоне, вызывает образование струйного переноса металла и значительное увеличение тока. На боковой поверхности электрода, где конденсируется цезий, образуется неярко светящаяся кольцевая зона катодного пятна дуги. Увеличение длины дуги при охвате становится возможным благодаря перераспределению напряжения из катодной области в столб дуги в результате уменьшения работы выхода поверхности и катодного падения напряжения, а также уменьшения градиента потенциала плазмы дуги, вызванного попаданием в нее цезия. Ярко светящаяся зона катодного пятна стабилизируется на торце электрода, что, согласно данным работы [2] должно приводить к перегреву металла на торце электрода, снижению его поверхностного натяжения и образованию струйного переноса металла.

При сварке по слою азотнокислого бария перенос металла остается капельным. По поверхности капли, покрытой оксидной пленкой попавшего на катод бария, с высокой скоростью перемещается сильно контрагированное катодное пятно, увлекая за собой столб дуги. В местах локализации катодного пятна формируются струйки металла, которые разрушаются и являются источником мелких капель, вылетающих за пределы шва.

Таким образом, влияние большого количества легкоионизируемых веществ, нанесенных на поверхность пластины, на перенос электродного металла при сварке током прямой полярности зависит от эмиссионных свойств оксида металла активирующего соединения, его количества и рода защитного газа. При сварке током обратной полярности активирование пластины нецелесообразно, так как появляется неустойчивость дуги и увеличиваются потери металла на разбрызгивание.

Для получения мелкокапельного переноса металла при сварке в углекислом газе током обратной полярности недостаточно изменить только ионизационные процессы в дуге путем введения в нее большого количества легкоионизируемых активаторов. Для этого необходимо дополнительно уменьшать поверхностное натяжение расплавленного электродного металла.

Основным условием образования струйного переноса металла при сварке в защитных газах током прямой полярности является не уменьшение эффективного потенциала ионизации, вызванное введением в столб дуги большого количества активаторов, а снижение работы выхода поверхности катода в результате попадания на него щелочных или щелочно-земельных металлов, входящих в состав активирующих веществ.

Список литературы

  1. Патон Б. Е., Ворочай Н. М. Сварка активированным пла­вящимся электродом в защитном газе.— Автоматическая свар­ка. 1979, № 1, с.  1—7,  13.
  2. Варуха Е. Н., Лениекин В. А., Дюргеоое Н. Г. Определе­ние условий установления струйного переноса металла при сварке поверхностно-активированным электродом.— Автомати­ческая сварка,   1984,  №   1,  с.  41—45.
  3. Воропай Н. М. Поверхностное натяжение расплавленного металла сварочной проволоки.— Автоматическая сварка, 1978, №   9.    с.   68—69.
  4. Лениекин В. А., Дюр?еров Н. Г., Варуха Е. Н. Повыше­ние устойчивости дуги при сварке плавящимся электродом то­ком прямой полярности в защитных газах.— Сварочное произ­водство,   1981,   №    12,   с.   28—30.
  5. Варуха Е. #., Лениекин В. А. Условия образования струйного переноса металла при сварке током прямой поляр­ности. — Сварочное производство, 1986, № 2, с. 39—’41.
  6. Ибатуллин Б. Л., Мухин В. Ф. Условия струйного пере­носа электродного металла при сварке в углекислом газе.— Автоматическая сварка, 1980, № 7, с. 25—27.
  7. Свойства элементов: Справочник. В 2-х ч./Под ред. Г. В. Сэмсонова. М.: Металлургия, 1976, ч.  1. 600 с.
  8. Физико-химические свойства окислов: Справочник/Г. В. Самсонов, А. Л. Борисова, Т. Г. Жидкова и др. М.: Метал­лургия,   1978.   472   с.
  9. Действие активирующих покрытий при сварке в защит­ных газах/В. А. Ленивкин, Н. Г. Дюргеров. Е. Н. Варуха, П. И. Петров.— Сварочное производство, 1979, № И, с. 28— 30.
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector