ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ И НАПЛАВКЕ С МОДИФИКАЦИЕЙ ЗАЩИТНОЙ ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ ГАЛОГЕНИДНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ SF6 (Ar + CO2 + SF6)

DOI: 10.24412/2077-8481-2024-1-25-34 УДК 621.791.763.2

А. О. КОРОТЕЕВ, канд. техн. наук, доц.

Е. А. ФЕТИСОВА А. А. КОРОТЕЕВА

A. А. ЛОПАТИНА

B. Д. ДОЛГАЯ

Белорусско-Российский университет

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОДНОГО МЕТАЛЛА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ И НАПЛАВКЕ С МОДИФИКАЦИЕЙ ЗАЩИТНОЙ ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ ГАЛОГЕНИДНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ SF6

Определены зависимости частоты коротких замыканий дугового промежутка при наплавке в защитной газовой среде Ar + CO2 + SF6. На основании полученных экспериментальных данных определены области наиболее стабильного протекания процесса переноса электродного металла в условиях модификации защитной газовой атмосферы галогенидным соединением SF6 с точки зрения частоты коротких замыканий дугового промежутка. Эксперименты проведены в диапазоне значений силы тока, соответствующих докритическим и не приводящим к струйному характеру переноса электродного металла. Зафиксирован эффект кратковременного струйного переноса электродного металла при разрыве жидкой перемычки при наплавке с использованием повышенных напряжений на дуге и введении SF6 в защитную газовую среду.

Ключевые слова:

дуговая сварка в защитных газах, защитные газовые смеси, гексафторид серы, напряжение на дуге, частота коротких замыканий, перенос электродного металла, модификация защитной газовой атмосферы.

Для цитирования:

Особенности переноса электродного металла при дуговой сварке и наплавке с модификацией защитной газовой атмосферы галогенидным соединением SF6 (Ar + CO2 + SF6) / А. О. Коротеев, Е. А. Фетисова, А. А. Коротеева, А. А. Лопатина, В. Д. Долгая // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2024. - № 1 (82). - С. 25-34.

Аннотация

Введение

газ). Следует сказать, что общая тенденция развития сварочных материалов все более ориентирована на использование сложных систем легирования и упрочнения, зачастую легирующие элементы вводятся в количествах, сопоставимых с пределом растворимости в твердом растворе, что позволяет обеспечить наибольшую эффективность для получения требуемых характеристик материала. С точки зрения сварки, наличие большого количества легирующих элементов, содержание каждого из которых невелико и может не превышать 1 %, создает трудности, т. к. воздействие термического цикла и взаимодействие расплавленного металла в дуговом проме-

Дуговая сварка в защитных газовых смесях является наиболее динамично развивающимся способом, активно применяемым в промышленности для решения задач создания неразъемных соединений в условиях требований импортозамещения, высокой производительности и широких возможностей для механизации и роботизации. В ряде работ, опубликованных ранее [1-7], отмечено, что современные материалы, стали и сплавы требуют применения для защиты зоны горения дуги инертных газов и смесей на их основе (более 80 % составляет инертный

© Коротеев А. О., Фетисова Е. А., Коротеева А. А., Лопатина А. А., Долгая В. Д., 2024

жутке с защитной газовой средой в «сильно перегретом» состоянии на стадии капли неизбежно приводит к потерям этих элементов. Спрогнозировать химический состав получаемого наплавленного металла с учетом большого количества факторов чрезвычайно сложно. В связи с этим наиболее предпочтительны инертные газы как среда, практически не взаимодействующая с расплавленным металлом, что позволяет «условно» обеспечить постоянство его химического состава при переходе через дуговой промежуток за вычетом потерь на испарение в области высоких температур.

На сегодняшний день защитные газовые среды на основе инертных газов вытесняют сварку в среде CO2 практически по всем показателям. Значительно меньшие потери на разбрызгивание электродного металла, высокие показатели механических характеристик, ударной вязкости и пластичности наплавленного металла и, что более существенно, возможность эффективной сварки материалов, о которых сказано выше. Вместе с тем переход на использование таких защитных газовых сред существенно повышает требования к подготовке деталей под сварку и зачистке промежуточных слоев сварного соединения. Инертная газовая среда не позволяет управлять металлургическими процессами в дуговом промежутке что может приводить к появлению серьезных дефектов в виде несплавлений. Опасным в этих условиях является наличие в защитной газовой атмосфере водорода, являющегося продуктом диссоциации адсорбированной влаги, продуктом высокотемпературного разложения следов коррозии и загрязнений на кромках деталей и др.

В ряде работ [1-7] рассматривается перспективное направление модификации защитной газовой атмосферы га-логенидным газообразным соединением SF6. Фторсодержащие компоненты широко применяются в производстве

флюсов и электродных покрытий и их эффективность в борьбе с водородом достаточно хорошо известна. В то же время рассматриваемый способ сварки основан на применении проволок сплошного сечения и инертной газовой среды. В таких условиях наиболее эффективным представляется введение SF6 непосредственно в струю защитного газа через сопло сварочной горелки. Особенности и преимущества такого способа с точки зрения снижения количества диффузионного водорода в наплавленном металле шва и технические особенности реализации были описаны ранее [5, 6]. В статье рассмотрены особенности модификации защитной атмосферы с точки зрения стабилизации процесса и анализа частоты коротких замыканий дугового промежутка.

Основная часть

Перенос электродного металла является одним из наиболее важных технологических параметров процессов сварки и наплавки. Наиболее предпочтительными видами по ряду параметров являются перенос короткими замыканиями дугового промежутка и так называемый струйный. Первый характеризуется относительно невысокими, для конкретного типа и диаметра сварочной проволоки, так называемыми докритическими значениями силы тока, что, вследствие невысокой скорости ее плавления, приводит к сближению капли присадочного электродного металла с поверхностью расплавленной ванны и замыканию дугового промежутка. Короткое замыкание сопровождается резким ростом силы тока, перегревом перемычки жидкого металла между каплей и поверхностью ванны, разрывом этой перемычки вследствие вскипания и действия сжимающих сил, обусловленных магнитным полем. Процесс возобновляется, а капля за счет силы поверхностного натяжения переходит в сварочную ванну. Механизм воздействия

конкретных сил и факторов на сегодняшний день относительно хорошо исследован. Резкий скачок значения силы тока в момент короткого замыкания является наиболее характерным признаком при анализе осциллограмм процесса. Кроме того, процесс благодаря этому хорошо контролируется и большинство существующих на сегодняшний день систем управления переносом электродного металла основаны именно на этом эффекте и используют диапазон значений режимов, обуславливающий тип переноса короткими замыканиями.

Струйный характер переноса электродного металла возникает при значениях силы тока, превышающих критические. При этом складывается ряд условий, при которых равнодействующая сил, действующих на каплю жидкого металла, направлена в сторону сварочной ванны, что приводит к ее вытягиванию и дроблению на мелкие капли, неразличимые и представляющие собой сплошной канал. Процесс стабилен и практически лишен потерь на разбрызгивание электродного металла. Вместе с тем следует отметить, что для достижения такого эффекта требуется использование достаточно высоких значений силы тока, что в ряде случаев может приводить к перегреву свариваемых деталей вследствие большого тепловложения. Высокое давление на сварочную ванну приводит к резкому росту глубины проплавления по оси шва. Повышается вероятность возникновения дефектов типа несплавлений вследствие большого объема расплавленного металла, стремительно заполняющего разделку кромок при сварке. Это делает область существования струйного характера переноса эффективной, но узко применимой на практике, особенно в случаях сварки материалов, чувствительных к термическому циклу.

Капельный перенос, при котором отдельные капли расплавленного металла отделяются от торца плавящейся проволоки и перемещаются свободно

через дуговой промежуток, является нежелательным. Процесс сложно контролируем, т. к. момент отделения капли от проволоки достаточно сложно зафиксировать.

Введение галогенидного модификатора SF6 в состав защитной газовой атмосферы оказывает существенное влияние на характеристики дугового разряда, процессы плавления присадочной проволоки и переноса электродного металла в расплавленную ванну. Это обусловлено в первую очередь высоким потенциалом ионизации фтора, как продукта высокотемпературной реакции диссоциации SF6.

Для оценки значения частоты переноса электродного металла использовалась методика, основанная на анализе осциллограмм с совмещенной скоростной видеосъемкой при наплавке одиночных валиков на пластину. Это позволяет не только зафиксировать моменты короткого замыкания дугового промежутка, но и визуально оценить характер формирования капли расплавленного металла на торце проволоки и ее поведение до перехода в сварочную ванну. Внешний вид установки представлен на рис. 1.

В качестве регистратора сварочных процессов использовался регистратор РКДП-0401. Количество вводимого SF6 изменялось от 0 % до 2 % в соответствии с проведенными ранее исследованиями [6, 7]. Для получения защитной газовой смеси требуемого состава использовалась разработанная установка для смешивания компонентов, описанная ранее [7]. Важным вопросом при этом является точное соотношение компонентов, т. к. количество вводимого SF6 в состав защитной смеси невелико и штатные газовые трехкомпонентные смесители не позволяют это эффективно осуществить. Режимы наплавки задавались без использования синергетических программ управления значениями параметров и задавались через скорость подачи присадочной проволо-

ки Уп.пр. и напряжение на дуге Ud. Было установлено, что в условиях постоянства скорости подачи именно напряжение на дуге позволяет эффективно влиять на энергетические характеристики дугового разряда, изменять длину дуги, оказав тем самым влияние на ход протекания металлургических реакций взаимодействия жидкого расплавленного металла перегретой капли с омывающим потоком защитной газовой смеси и продуктом высокотемпературных реакций ее компонентов.

В экспериментах использовалось четыре варианта скорости подачи присадочной проволоки: 2,3; 3,7; 5,3 и 7,7 м/мин.

Первые три значения соответствуют области стабильного существования переноса электродного металла короткими замыканиями. Значение силы сварочного тока находится в диапазоне 100.. .200 А. Следует отметить, что это наиболее широко используемая на практике область значений, характеризуемая оптимальным соотношением мощности тепловложения, характеристик проплавления основного металла, стабильности процесса и минимизации потерь на разбрызгивание (рис. 2). Результаты анализа осциллограмм представлены на рис. 3 и 4 и в табл. 1.

Рис 1. Внешний вид установки для скоростной видеосъемки процесса переноса электродного металла: 1 - направляющая; 2 - система подсветки с лампой; 3 - линза; 4 - стол с образцом для наплавки; 5 - система светофильтров; 6 - камера

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Стадии переноса электродного металла: а - стадия формирования капли; б - короткое замыкание дугового промежутка; в - разрыв перемычки жидкого металла (возобновление горения дуги); г - стадия формирования капли

Рис. 3. Зависимость значения частоты коротких замыканий дугового промежутка f от напряжения на дуге U при различном значении количества вводимого SF6 в защитную атмосферу и скорости подачи присадочной проволоки: а - Vn,np, = 2,3 м/мин; б - УЛ„р. = 3,7 м/мин; 1 - наплавка в среде 82 % Ar + 18 % CO2; 2 - (Ar + CO2) + 0,5 % SF6; 3 - (Ar + CO2) + 1 % SF6; 4 - (Ar + CO2) + 2 % SF6

15 17 19 21 В 25

Ud ------------

Окончание рис. 3

16 18 20 22 24 В 27

Ud ---------------

Рис. 4. Зависимость значения частоты коротких замыканий дугового промежутка f от напряжения на дуге Ud при различном значении скорости подачи присадочной проволоки и количества вводимого SF6 в защитную атмосферу: а - У„.„р. = 5,3 м/мин; б - V^ = 7,7 м/мин; 1 - наплавка в среде 82 % Ат + 18 % CO2; 2 - (Ат + CO2) + 0,5 % SF6; 3 - (Ат + CO2) + 1 % SF6; 4 - (Ат + CO2) + 2 % SF6

Окончание рис. 4

Табл. 1. Значения частоты коротких замыканий дугового промежутка коэффициента потерь электродного металла при различных соотношениях значений параметров режима и количества вводимого SFe в состав защитной газовой атмосферы

Скорость подачи присадочной проволоки, м/мин Ориентировочное значение силы тока, А Номер кривой на графических зависимостях (см. рис. 3 и 4) Количество вводимого SF6, % Наиболее эффективное значение напряжения на дуге Ug, В Значение частоты коротких замыканий, с-1

2,3 98...103 1 0 17,5 44

2 0,5 18,0 29

3 1 19,0 28

4 2 20,0 25

3,7 147...155 1 0 18,5 67

2 0,5 20,0 60

3 1 21,5 44

4 2 21,0 43

5,3 195...202 1 0 19,8 78

2 0,5 22,0 72

3 1 23,0 84

4 2 23,0 43

7,7 246...254 1 0 17,5 59

2 0,5 20,0 79

3 1 21,6 71

4 2 23,0 52

Повышение скорости подачи присадочной проволоки до 7,7 м/мин, что соответствует силе тока 246...254 А, приводит к некоторой нестабильности процесса в силу близости значений к «критическому» для перехода процесса в струйный характер переноса электродного металла. При этом в случае скачков значений параметров вследствие возмущений и посторонних факторов возможно кратковременное изменение характера переноса, особенно в диапазоне наибольших, применяемых при проведении экспериментов, значений напряжения на дуге. Этот эффект замечен ранее и позволяет получать струйный перенос металла на докритических токах путем сильного повышения напряжения относительно оптимального значения [7, 8]. Вместе с тем режим является нестабильным и в таком виде не рассматривается в рамках данной публикации.

Повышение скорости подачи свыше 7,7 м/мин приводит к полному переходу в область струйного переноса электродного металла, и оценка частоты коротких замыканий по естественным причинам становится неактуальна для этой области.

Анализ полученных результатов показал, что на всех графиках (см. рис. 4) имеется максимум, соответствующий наиболее стабильному протеканию процесса. На относительно малых значениях силы тока, соответствующих скорости подачи присадочной проволоки 2,3 м/мин, введение SF6 снижает частоту коротких замыканий, что объясняется снижением мощности дугового разряда из-за так называемого дугоподавляющего свойства SF6, обусловленного высоким потенциалом ионизации фтора. Малая мощность и невысокие значения силы тока в этом случае приводят к нестабильности процесса.

Однако можно отметить, что на значениях скорости подачи 3,7 м/мин и выше этот эффект уже не столь заметен и в некоторых случаях (при скоро-

сти подачи 5,3 и 7,7 м/мин) даже позволяет повысить частоту переноса электродного металла. Объяснением этого может быть принципиальное изменение условий существования дугового промежутка.

В целом можно отметить, что повышение содержание SF6 в защитной атмосфере вызывает необходимость повышения напряжения. Полученные данные хорошо согласуются с опубликованными ранее результатами анализа коэффициента потерь [7].

При проведении экспериментов и анализе скоростной видеосъемки установлено, что момент разрыва перемычки и возобновления процесса горения дуги на режиме, соответствующем скорости подачи присадочной проволоки 7,7 м/мин, может сопровождаться кратковременным эффектом струйного переноса электродного металла (рис. 5). По-видимому, это происходит вследствие большого количества паров металла, образующихся вследствие вскипания перегретого металла. Пары кратковременно значительно снижают эффективный потенциал ионизации в этой области, что в условиях сильно повышенного напряжения, необходимого для компенсации высокого потенциала ионизации продуктов диссоциации SF6, способствует переходу в струйный режим. Впоследствии режим стабилизируется, состав атмосферы дугового промежутка меняется и процесс вновь переходит в фазу стадии коротких замыканий.

Данный эффект представляет повышенный интерес с точки зрения возможностей управления процессами переноса электродного металла при сварке и наплавке, т. к. ярко демонстрирует чувствительность дугового разряда к градиенту химического состава функциональных защитных газовых сред. Работы в данном направлении продолжают нами проводиться.

Рис. 5. Кратковременное возникновение струйного переноса при разрыве перемычки жидкого металла

Выводы

Таким образом, по результатам проведенных экспериментальных исследований установлено следующее.

1. Введение SF6 в состав защитной газовой среды Ar + CO2 в количестве до 2 % при использовании скоростей подачи присадочной проволоки в диапазоне значений 2,3...7,7 м/мин (сила тока 98...254 А) оказывает существенное влияние на частоту коротких замыканий при переносе электродного металла. На малых значениях скорости подачи (до 3,7 м/мин) частота уменьшается с повышением количества SF6. Однако повышение напряжения позволяет не только оставить ее на прежнем уровне, стабилизировав процесс, но и, начиная со скоростей подачи 5,3 м/мин (сила тока 195 А) и выше, повысить частоту. Причем чем выше значение скорости подачи, тем эффект от влияния количества SF6 проявляется сильнее. При ско-

рости подачи 7,7 м/мин введение в защитную среду 82 % Ar + 18 % CO2 до 0,5 %...1 % SF6 позволяет повысить частоту коротких замыканий на 20 % по сравнению с технологией в среде Ar + CO2.

2. Стабилизация процесса на существенно больших (в среднем на 2 В за каждые введенные 0,5 % SF6) значениях напряжения на дуге изменяет характер ее горения и переноса электродного металла. В случае использования скоростей подачи присадочной проволоки 7,7 м/мин (сила тока 246.254 А) при разрыве перемычки жидкого металла возникает кратковременное явление струйного переноса. Это, по-видимому, обусловлено появлением проводящего канала с низким потенциалом ионизации из-за концентрации паров металла в области разрыва перегретой перемычки. Более высокое напряжение способствует переходу в струйный характер переноса на докритических токах.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ литературы

1. Фетисова, Е. А. Технология дуговой сварки с введением модифицирующих газовых компонентов в защитную атмосферу / Е. А. Фетисова, А. О. Коротеев, А. А. Коротеева // Новые технологии и материалы, автоматизация производства: сб. ст. - Брест: БрГТУ, 2022. - С. 175-178.

2. Фетисова, Е. А. Перспективы применения галоидных соединений в составе защитной газовой атмосферы при дуговой сварке / Е. А. Фетисова, А. О. Коротеев // I Респ. форум молодых ученых учреждений высш. образования: сб. материалов форума. - Минск: БНТУ, 2022. - С. 75-76.

3. Фетисова, Е. А. Особенности дуговой сварки и наплавки с модификацией защитной газовой атмосферы галоидными соединениями / Е. А. Фетисова, А. О. Коротеев // Молодежь и наука: актуальные проблемы фундаментальных и прикладных исследований: материалы V Всерос. нац. конф. молодых ученых, Комсомольск-на-Амуре, 11-15 апр. 2022 г. - Комсомольск-на-Амуре: КнаГУ, 2022. - С. 89-90.

4. Коротеев, А. О. Дуговая сварка с функциональной модификацией защитной газовой атмосферы галоидными соединениями / А. О. Коротеев, Е. А. Фетисова // Актуальные вопросы и передовые технологии сварки в науке и промышленности: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2022. - С. 112-118.

5. Фетисова, Е. А. Влияние гексафторида серы в составе газовой защитной атмосферы при дуговой сварке на содержание водорода в наплавленном металле / Е. А. Фетисова, А. О. Коротеев, А. А. Ко-ротеева // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2021. - С. 174.

6. Фетисова, Е. А. Особенности металлургических процессов при дуговой сварке с модификацией защитной газовой атмосферы галоидными соединениями / Е. А. Фетисова, А. О. Коротеев, А. А. Коротее-ва // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2022. - № 1 (74). - С. 87-96.

7. О потерях электродного металла при дуговой сварке с модификацией защитной атмосферы газообразными галогенидными соединениями / Е. А. Фетисова [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2023. -№ 2 (79). - С. 97-106.

8. Технологические особенности выбора значений параметров режима дуговой сварки в защитной газовой смеси Ar + CO2 / А. О. Коротеев [и др.] // Наука и техника. - 2023. - № 22 (4). - С. 269-277.

Статья сдана в редакцию 5 февраля 2024 года

Контакты:

karatseyeu_artur@fastmail.com (Коротеев Артур Олегович); fetisova9891@gmail.com (Фетисова Екатерина Анатольевна); astainside@gmail.com (Коротеева Александра Александровна); arina.lopatina.2003@mail.ru (Лопатина Арина Алексеевна); veronikadolgaa477@gmail.com (Долгая Вероника Дмитриевна).

A. О. KARATSEYEU, E. А. FIATSISAVA, A. А. KARATSEYEVA, A. А. LAPATSINA,

V. D. DOUHAYA

FEATURES OF ELECTRODE METAL TRANSFER DURING ARC WELDING AND SURFACING WITH MODIFICATION OF PROTECTIVE GAS ATMOSPHERE BY SF6 HALIDE COMPOUND

Abstract

Dependencies of the frequency of short circuits across the arc gap during surfacing in Ar + CO2 + SF6 protective gas atmosphere have been determined. Based on the experimental data obtained, areas of the most stable process of electrode metal transfer in the protective gas atmosphere modified by SF6 halide compound have been found from the viewpoint of the frequency of short-circuiting of the arc gap. The experiments have been carried out in the range of current values corresponding to subcritical and not leading to the jet nature of electrode metal transfer. The effect of short-term jet transfer of electrode metal has been recorded upon the rupture of a liquid bridge during surfacing by using increased arc voltages and introducing SF6 into a protective gas medium.

Keywords:

gas-shielded arc welding, shielding gas mixtures, sulfur hexafluoride, arc voltage, short circuit frequency, electrode metal transfer, modification of shielding gas atmosphere.

For citation:

Features of electrode metal transfer during arc welding and surfacing with modification of protective gas atmosphere by SF6 halide compound (Ar + CO2 + SF6) / A. O. Karatseyeu, E. А. Fiatsisava, A. А. Karatseyeva, A. А. Lapatsina, V. D. Douhaya // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2024. - № 1 (82). - P. 25-34.