О схеме плавления флюса и основного металла при дуговой сварке

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005р. Вип.№15

УДК 621.791.753.042.5

Гулаков C.B.1, Ярыза-Стеценко A.B.2, Псарёва И.С.3

О СХЕМЕ ПЛАВЛЕНИЯ ФЛЮСА И ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ПРИ ДУГОВОЙ

СВАРКЕ

Рассмотрен новый подход к вопросу о механизме плавления флюса при дуговой сварке и наплавке. Показано, что в процессе плавления флюса участвует факел дуги, формирующийся на одном из электродов и исходящий из него в пространство вне столба дуги.

Электродуговая сварка и наплавка под слоем флюса занимает в настоящее время ведущее положение в машиностроении, металлургии, строительстве и других сферах производства. Широкое применение этих процессов во многих отраслях промышленности, жесткие требования к качеству производимой продукции требуют уделять особое внимание формированию сварных соединений с заданными свойствами, увеличению производительности процесса. Выполнение этих требований невозможно без изучения закономерностей плавления основного и электродного металлов, флюса.

Существующая теория плавления флюса [1] основывается на предположении об основном энергетическом вкладе в этот процесс излучения столба дуги. При этом считается, что вокруг дуги образуется и постоянно сохраняется сферическая оболочка из жидкого шлака, обеспечивающая надёжную защиту реакционной зоны. Однако имеются факты, говорящие о несоответствии этой теории реальным процессам плавления флюса. В частности, отсутствует связь между температурой столба дуги и относительной массой расплавленного шлака, в то время как, известно, что теплоотдача излучением пропорциональна четвертой степени температуры излучения. В литературе [2] опубликованы данные о том, что увеличение сварочного тока с 300 до 800 А, повышающее температуру столба дуги на 750 °С, приводит не к возрастанию, а к значительному уменьшению относительной массы шлака. Рост напряжения дуги, практически не влияющий на ее температуру, вызывает существенное приращение эффективности плавления флюса.

В настоящее время в связи с появлением новой информации в этой области сформировались иные мнения о схеме плавления флюса при дуговой сварке [3, 4].

В работе [5] высказано предположение о постоянной «прокачке» флюса через столб дуги при ее перемещении со скоростью сварки. Шлаковая защита при этом формируется за кратером дуги, а головная часть сварочной ванны жидким шлаком не защищена. Такой подход к этому процессу не отражает в полной мере влияние всех факторов, определяющих условия и природу плавления флюса. Так, эффективность плавления флюса за счет его «прокачки» будет высока только при условии большой площади боковой поверхности столба дуги, то есть ее длины и диаметра.

Целью настоящей работы является выявление факторов, определяющих условия плавления флюса и основного металла при дуговой сварке.

Основными источниками энергии, участвующими в плавлении флюса, являются дуга, жидкий металл (сварочной ванны и электродный), нагретый вылет электрода и тепло, выделяющееся в жидком шлаке при прохождении через него доли сварочного тока (ток шунтирования). Интенсивность плавления, как флюса, так и основного металла будет также определяться эффективностью передачи теплоты от места его ввода в их глубину.

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ГТГТУ, аспирант

3 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. препод.

Передача теплоты от места ввода в глубину расплавляемого материала осуществляется в основном двумя путями: теплопроводностью и за счет перемещения жидких масс материалов.

Следует отметить некорректность рассмотрения условий плавления основного металла, а тем более флюса, основываясь только на теории теплопроводности [6]. Скорость распространения тепла за счет теплопроводности весьма мала по сравнению с реальными скоростями сварки и это сказывается на условиях формирования сварочной ванны.

Подтверждением сказанного является наплавка валика на стальные пластины размером 250x100мм и толщиной 8, 16, и 28 мм проволокой Св-08 А диаметром 4 мм под флюсом АН-60. Параметры режима наплавки: Un = 32 - 34 В, 7Д = 650А, vCB = 30 м/час, ток постоянный, полярность обратная. Во время наплавки производили выплескивание жидкого металла ванны по методике, описанной в работе [7], после чего были осуществлены обмеры кратера ванны. Результаты обмеров показали, что максимальная глубина и ширина ванны практически не зависят от толщины пластины, несмотря на то, что глубина проплавления восьмимиллиметровой пластины составляет 65% от её толщины, а толщина нерасплавленного участка под швом - 2,5 -3 мм. Для пластины толщиной 28 мм эти параметры составляют соответственно 18 % и 23 мм. При этом отраженный от обратной стороны пластины тепловой поток за счет теплопроводности достиг нижней границы сварочной ванны (для пластины толщиной 8 мм) на расстоянии 25 - 30 мм от её головной части. В связи с этим геометрические параметры ванн для различных толщин пластин отличаются только размерами и формой хвостовой части вдали от зоны плавления основного металла.

Расчёты, приведенные в работе [6], также весьма далеки от реальности. Вызывает сомнение корректность применения формул теории теплопроводности для оценки передачи тепла в сыпучих материалах, какими являются сварочные флюсы. Условия передачи тепла теплопроводностью во флюсах, как между отдельными зёрнами, так и внутри зёрен для пемзовидных флюсов практически непредсказуемы.

Для установления доли теплопроводности в передаче тепла от источника к стенкам ванны

необходимо исключить жидкий металл ванны из участия в теплопереносе. Для этого жидкий

металл ванны надо удалить из зоны плавления основного металла. С этой целью проведен

_____«"—^^ следующий эксперимент. На пласти-

— —ну из стали Ст.З, имеющую ступен-

чатое уменьшение толщины со

^ стороны, обратной поверхности,

____________________— подвергаемой наплавке (см. схему на

Г рис. 1а), от 20 до 6 мм, осуществляли

'•• ... .. ^^^ а) наплавку валика проволочным

^^^^^ ______' электродом Св-08А диаметром 5 мм

под слоем флюса АН-60. При этом

I : I- наплавку начинали с части пластины

| б) толщиной 20 мм, а завершали на ее

1 тонкой части. Пластина была

_^ I - ,

^ЙЯРЧ^^м^чжчНр'^ ' 1 установлена на флюсовой подушке

^^^^¿«¿^^миЛ^—. * толщиной 50 мм. Параметры режима

-" I" наплавки (f/д = 37 - 38 В,/д = 800 -

850 А, vGB = 30 м/час) устанавливали

такими, чтобы глубина сварочной

ванны на 15 - 20 % превышала

толщину тонкой части пластины.

Поэтому при подходе дуги к границе

изменения толщины пластины (к её

тонкой части) происходило сквозное

проплавление основного металла

(рис. 16) и жидкий металл

сварочной ванны уходил во флюс,

чем был исключен или значительно

уменьшен перенос тепла к

< 850

К

^800 и

750

160 200 Время, с

Рис. 1 - Схема наплавки образца переменной толщины - а), форма его проплавления - б) и характер изменения тока дуги - в)

основному металлу и флюсу потоками жидкого металла и оно могло передаваться только за счет теплопроводности.

Из анализа рис. 16 видно, что исключение жидкого металла из функций по переносу тепла привело к тому, что ширина зоны проплавления основного металла уменьшилась с 20 -22 мм до 5 - 6 мм, т.е. стала примерно равной диаметру электрода. Это связано с тем, что динамика передачи тепла за счет теплопроводности очень мала и этот фактор практически не сказывается на условиях плавления основного металла.

Уход жидкого металла сварочной ванны из зоны плавления при сквозном проплавлении пластины привел к резкому уменьшению интенсивности плавления флюса. Так при наплавке валика на пластину толщиной 20 мм на 10 мм его длины плавилось в среднем 2,2 грамма флюса, а при сквозном проплавлении - 0,3 г/см, т.е. практически на порядок меньше. При этом жидкий металл сварочной ванны, уйдя под пластину во флюсовую подушку, расплавил большое количество флюса с обратной стороны пластины (2,4 г/см), что подтверждает положение о доминирующем вкладе в плавление флюса жидкого металла сварочной ванны [3].

Следует отметить, что переход к сквозному проплавлению не повлиял на параметры режима сварки и стабильность горения дуги (рис. 1в), которая горела на переднюю кромку плавящегося основного металла. То есть передний фронт плавления основного металла находится непосредственно под дугой, а не на расстоянии впереди неё, что показано в работе [8] и подтверждено рентгенограммами процесса сварки под флюсом пластин с дискретными поперечными пазами [9].

Рассмотрим условия плавления флюса дугой.

Ранее авторами было показано, что при горении дуги между графитовыми электродами 1 и 2 кроме основного ядра 3 существует и факел 4, исходящий от одного из электродов в пространство (рис. 2). И этот факел вносит существенный вклад в плавление флюса.

Рис. 2 - Дуга, горящая между графи-

товыми электродами

Рис. 3 - Факел дуги при сварке под слоем флюса - а) и в среде защитного газа - б)

Наличие факела наблюдается и при других видах дуговой сварки плавящимся электродом (рис. 3), как под слоем флюса, так и в среде защитных газов.

Поэтому в процессе плавления флюса дугой может участвовать как ее столб, так и факел. Для оценки доли участия этих факторов в плавлении флюса проведены следующие эксперименты.

Располагая перемещающуюся со скоростью сварки косвенную дугу (рис. 2), над слоем флюса таким образом, чтобы факел касался его поверхности, осуществляли тепловое воздействие этого факела на флюс. Эксперименты, проведенные при различном расстоянии от дуги до поверхности флюса (рис. 4), показали, что по мере приближения дуги к поверхности флюса факел производил существенное силовое воздействие на флюс, создавал потоки в

1Г

1.0-7-

жидком шлаке, обеспечивая интенсификацию поступления новых масс флюса в зону плавления. По мере приближения факела к поверхности флюса изменялся характер его плавления (из отдельных расплавленных фрагментов шлаковая корка постепенно переходила в непрерывные участки), а также увеличивалась производительность его расплавления.

Для оценки доли участия столба дуги в плавлении флюса зажигали дугу между графитовыми электродами под слоем флюса, при этом осуществляли ее перемещение со скоростью сварки в различных направлениях относительно оси столба дуги, расположенной горизонтально:

- вдоль оси анодом вперед;

- вдоль оси катодом вперед;

- поперек оси.

Если столб дуги осуществляет плавление флюса за счет его «прокачки» [5], то максимальное количество расплавленного флюса следует ожидать в последнем эксперименте, так как в первых двух электроды большого диаметра должны экранировать флюс от действия столба дуги. Однако результаты опытов показали, что эффективность плавления флюса во всех трех случаях практически одинакова, что говорит о доминирующем влиянии на производительность плавления флюса факела дуги.

В этой связи следует отметить, что возможность плавления флюса перед дугой в реальном процессе дуговой сварки под флюсом (рис. За) определяется ориентацией факела дуги. Если факел дуги не будет направлен вперед по ходу сварки, то и плавления флюса перед дугой также не будет. Поэтому классическая схема процесса плавления флюса со шлаковым пузырём вокруг дуги требует корректировки.

Предложенная информация позволяет расширить представления о природе плавления материалов, участвующих в образовании сварного соединения, что, в свою очередь, даст возможность повысить качество производимой продукции с использованием сварочных технологий, расширить сферу их применения, обеспечить возможность управления служебными характеристиками сварного соединения, наплавленного слоя.

о Гн

кГ а

2

«

ч я

ей

ч

С

Л

н о о и

03

к

а Я

н И

К

0.5

0

0.1

2 3-10 15-25

Расстояние от дуги до флюса, мм

Рис. 4 - Характер плавления флюса факелом дуги

Выводы

1. Рассмотрены источники энергии, участвующие в плавлении флюса, которые ранее не учитывались при изучении закономерностей формирования сварного соединения при дуговой сварке под слоем флюса.

2. Показан вклад теплопроводности и конвективного теплообмена в эффективность передачи тепла от дуги плавящемуся металлу. Результаты работы показали, что

исключение жидкого металла из функций по транспортировке тепла практически исключило его передачу от источника энергии к фронту плавления. 3. Показано, что на условия плавления флюса практически не влияет энергия излучения столба дуги и «прокачка» его через этот столб. Основными факторами, влияющими на условия плавления флюса, являются жидкий металл сварочной ванны и факел дуги.

Перечень ссылок

1. Кирдо И. В. Тепловой баланс сварки под флюсом / И.В.Кирдо II Сборник трудов по автоматической сварке под флюсом. - Киев: изд. АН УССР, 1948. - Т.1. - С. 95 - 128.

2. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности /

A.А.Ерохин. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.

3. Гулакое C.B. Роль теплоты металла сварочной ванны в плавлении флюса / С.В.Гулакое, Б.И.Носовский., О.Д.Темирбек II Автоматическая сварка. - 1984. - №12. - С. 2 - 4.

4. Кузъменко В.Г. Особенности плавления и отвердевания флюса при дуговой сварке /

B.Г.Кузъменко II Сварочное производство. - 1999. - №10. - С. 16 - 22.

5. Кузъменко В.Г. О сплошности шлаковой оболочки при сварке под флюсом /

B.Г.Кузъменко //Автоматическая сварка. - 1998. -№3. - С. 14 - 19.

6. Бадьянов Б.Н. О новой схеме процесса дуговой сварки под флюсом / Б.НБадъянов II Сварочное производство. - 1999. - №11. - С.8 - 11.

7. Гулакое C.B. Устройство для удаления жидкого металла из сварочной ванны /

C.В.Гулакое, Б.И.Носовский II Автоматическая сварка. - 1980. - №10. - С. 75.

8. Гулакое C.B. О передаче тепла от источника к фронту плавления через жидкий металл сварочной ванны / С.В.Гулакое, Б.И.Носовский II Сварочное производство. - 1982. - №6. -С. 5, 6.

9. Остапенко Н.Г. Исследование зоны дуги, горящей под флюсом, с помощью рентгеновских лучей / Н.Г.Остапенко, Б.И.Медоеар // Автогенное дело. - 1947. - № 11. -С. 16-20.

Статья поступила 15.05.2005