CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. № 14
УДК 621.791.753.042.5
Гулаков C.B.1, Носовский Б.И.2, Тарасенко И.В.3, Псарёва И.С.4, Матвиенко В.В.5
К ВОПРОСУ О СХЕМЕ ПЛАВЛЕНИЯ ФЛЮСА ПРИ ДУГОВОЙ НАПЛАВКЕ
Изучено влияние скорости наплавки на условия плавления флюса. Получены экспериментальные данные по измерению тока шунтирования. Показано, что с увеличением скорости наплавки уменьшается ток шунтирования. При этом характер изменения тока зондирующего источника существенно меняется в зависимости от скорости наплавки.
Качество металла, наплавленного под флюсом, в большой степени определяется свойствами флюса, сказываясь на физико-химических, металлургических процессах, энергетических характеристиках плавления материалов, участвующих в формировании наплавленного слоя металла [1 - 3]. Расплавленный шлак, являясь токопроводящей средой, шунтирует часть сварочного тока [4]. При этом изменяются характер и условия ввода тепла в сварочную ванну и основной металл, что оказывает существенное влияние на качество наплавки. Особенно это актуально при использовании электродной ленты, большая площадь поверхности которой в значительной степени увеличивает контакт металл-шлак и, тем самым, долю тока, проходящего через шлак.
Процесс дуговой наплавки (особенно электродной лентой) может быть охарактеризован как смешанный, включающий как дуговую составляющую, так и шлаковую. Данный характер процесса зависит от теплофизических свойств флюсов, параметров режима, геометрии электрода и предопределяет отличия в нагреве и плавлении электродного и основного металлов, формообразовании сварочной ванны и формировании наплавленного валика [4]. От соотношения тока дуги и тока шунтирования зависят многие характеристики процесса наплавки - стабильность его протекания, производительность, расплавляющее воздействие дуги, вероятность образования дефектов и т. д. Поэтому исследования условий формирования наплавленного слоя металла и влияние на эти условия доли тока шунтирования является актуальной задачей.
Цель данной работы - изучить условия плавления флюса, оценить характер шунтирования им сварочного тока расплавленным флюсом и долю этого тока при дуговой наплавке.
Условия и величина шунтирования шлаком сварочного тока определяются кроме свойств флюса, геометрией и размерами (формой) шлаковой оболочки, окружающей дуговое пространство, зависящей от схемы и характера плавления флюса.
В настоящее время нет единого мнения о схеме плавления флюса при дуговой сварке (наплавке) [5-9]. Авторы работ [5, 6] на основании выполненных исследований методами ос-циллографирования и киносъемки показали, что сварка под флюсом является процессом, в котором электрическая дуга горит в парогазовом пространстве между электродом и основным металлом под оболочкой из жидкого шлака, которая удерживается избыточным давлением газов и паров, образующихся в результате высокотемпературного нагрева металла и шлака электрической дугой. Плавление флюса происходит за счет теплопередачи от дуги посредством излучения, контакта с газопламенными потоками, воздействия ионов и электронов ее столба. Наличие шлаковой оболочки в виде сферы гарантирует физическую изоляцию зоны дуги от контакта с воздухом. Эта физическая модель считается общепринятой и использована в трудах А.А.Ерохина, К.В.Любавского, В.В.Подгаецкого и других исследователей [1 - 3].
1 ПГТУ, д-р техн. наук, профессор
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
3 ПГТУ, аспирант
4 ПГТУ, мл. науч. сотр.
5 ПГТУ, аспирант
В работе [7] высказано предположение о постоянной "прокачке" флюса через дугу при ее перемещении со скоростью сварки. Шлаковая защита при этом формируется за кратером дуги, а головная часть сварочной ванны жидким шлаком не защищена.
Авторами работ [8, 9] предлагается рассматривать плавление флюса с учетом влияния основных источников энергии, участвующих в его плавлении: дуги; жидкого металла (сварочной ванны и электродного); нагретого вылета электрода и тепла, выделяющегося в жидком шлаке при прохождении через него доли сварочного тока (тока шунтирования). Интенсивность плавления, как флюса, так и основного металла будет также определяться эффективностью передачи тепла от места его ввода в их глубину. Авторами показана большая роль металла сварочной ванны в плавлении флюса [8]. В работе [9] экспериментально подтверждено, что на условия плавления флюса оказывает влияние факел, выбрасываемый из зоны активного пятна дуги, а интенсивность его плавления определяется не только термическим, но и силовым воздействием факела, который обеспечивает формирование в шлаке потоков, транспортирующих тепло от источника энергии к периферийным зонам. Показано, что излучением столба дуги флюс практически не плавится. В этом случае условия формирования шлаковой оболочки, окружающей дугу, отсутствуют. Тем более ее существование проблематично при нестабильном характере процесса и избыточном непостоянном давлении внутри нее.
Это подтверждает выдвинутое предположение о том, что основная масса расплавленного флюса должна находиться за дугой - после действия источника тепла [7]. Поэтому условия шунтирования сварочного тока расплавленным флюсом должны отличаться от тех представлений, которые были ранее рассмотрены в работах [5, 6].
Оценить эффективность плавления флюса за счет излучения дуги можно экспериментальным путем. Для этого во флюсе был сформирован продольный паз 1 (рис. 1) с вертикальными стенками. В этом пазу перемещались плоские графитовые электроды 2 с зажженной между ними дугой 3. Расстояние между вертикальными стенками флюса и плоскими электродами составляло около двух миллиметров. Параметры дуги: ид = 30 В; 1д = 120 А. Скорость перемещения Удер = 30 м/'ч.
Эксперименты показали, что при перемещении дуги вдоль вертикальных стенок флюс за счет её излучения практически не плавится.
При сварке под флюсом плавящимся электродом во время движения дуги со скоростью сварки в зону её горения поступают новые порции флюса -она внедряется во флюс [7]. При этом естественным является факт непосредственного его плавления дугой. Однако если условно представить дугу элементарным проводником, соединяющим анод с катодом, то количество флюса, прошедшего в единицу времени через дугу, будет пропорционально поперечному сечению этого проводника, которое равно: /• ¿1 ■ I, где с! - диаметр столба дуги, / - его длина.
Падение напряжения в приэлектродных областях дуги (11А + ик), горящей под слоем флюса, например, ОСЦ-45, составляет 23 -г- 25 В. Тогда при напряжении на дуге 30 -г- 35 В её длина будет равна 1,2 -г- 2,5 мм (градиент падения напряжения в столбе дуги принят равным 4,2 В/мм в соответствии с работой [10]). При диаметре электрода 4 : 5 мм с учетом обжатия столба дуги площадь её поперечного сечения будет достаточно мала, чтобы через неё могло быть "прокачано"' реальное количество флюса, перешедшего в шлак.
Иная ситуация будет, если дугу рассматривать как сложную систему, состоящую из нескольких потоков заряженных частиц. Так в ряде работ показано наличие анодного и катодного потоков в дуге, причем катодный поток более подвижен и положение этих потоков в пространстве не совпадает.
Авторами проведено исследование процесса горения дуги постоянного тока между графитовыми электродами (11д =30 В, [л = 120 А) [9]. Фотография дуги, сделанная через тёмное стекло, свидетельствует о наличии её столба (ядра), расположенного между электродами и фа-
Рис. 1 - Схема нагрева флюса излучением столба дуги
кела, выбрасываемого за пределы межэлектродной зоны. Протяженность факела составляла 25 -г- 30 мм. то есть на порядок больше длины столба дуги. При подведении конца этого факела к поверхности флюса последний интенсивно расплавляется, а в расплавленном шлаке факелом формировались потоки, обеспечивающие поступление новых порций флюса в зону плавления. При этом с приближением факела к поверхности флюса возрастала интенсивность потоков и эффективность его плавления [9].
Доля флюса, расплавленного жидким электродным металлом, вероятно низка из-за малых: длины дугового промежутка, времени пролета этим металлом дугового промежутка и поверхности этого металла по сравнению с поверхностью металла ванны.
Вклад нагретого вылета электрода в плавление флюса оценивали после прекращения процесса наплавки путём одновременного отключения сварочного тока, динамического торможения двигателя подачи проволоки и включения механизма подъёма штанги сварочного аппарата. Количество оставшегося на вылете электрода расплавленного шлака в виде тонкой плёнки вблизи его торца было весьма малым и может быть исключено из общего баланса механизмов (путей) плавления флюса.
По данным ряда работ [4 и др.] следует, что при наплавке под слоем флюса доля тока, протекающего через жидкий шлак, составляет 10 -г- 35 % от общего сварочного тока. Этот фактор может вносить существенный вклад в процесс плавления флюса, вплоть до случая, когда ток, шунтирующий дугу, достигнет такого значения, что она погаснет, и весь сварочный ток будет протекать через шлак, обеспечивая интенсивное плавление новых порций флюса (электрошлаковая сварка).
В работе [7] представлена новая концепция особенностей физического процесса сварки под флюсом, утверждающая, что полноценное шлаковое укрытие сварочной ванны начинает образовываться лишь за кратером дуги в результате растекания жидкого шлака по ее поверхности, а процесс плавления флюса происходит за счет его "прокачки" через дуговой разряд. При этом образование шлаковой оболочки перед движущейся электрической дугой, определяемое теплофизическими свойствами флюса и скоростью сварки, маловероятно; при высоких скоростях сварки шлаковая оболочка может не успевать образовываться и плавление флюса будет происходить в области сварочной ванны после дуги.
Для оценки этого утверждения авторами данной работы выдвинуто предположение - если электрод при движении со скоростью сварки разрушает шлаковую оболочку, то, следовательно, должна уменьшаться и величина тока шунтирования, а с уменьшением скорости, когда создаются оптимальные условия для формирования шлаковой оболочки, доля тока шунтирования должна увеличиваться.
С этой целью проведены эксперименты по изучению влияния скорости наплавки (при сохранении постоянными остальных параметров процесса) на характер изменения доли тока, проходящего через расплавленный флюс. Использована усовершенствованная методика исследований [11, 12], которая позволяет путем электрического зондирования межэлектродного промежутка (при напряжении зондирования недостаточном для образования дуги) фиксировать значения тока зондирующего источника в период после мгновенного отключения сварочного источника питания.
Применение скоростного размыкателя и диодного коммутатора позволило осуществить отключение сварочного источника и подключение зондирующего, за весьма короткий промежуток времени, обеспечивающий фиксацию исследуемых параметров с достаточной точностью.
Эксперименты проводили с использованием плавленого флюса АН-348А и керамического флюса ЖСН.
На стальные пластины размером 250x100x20 мм осуществляли наплавку валика проволокой Св-08А диаметром 5 мм и электродной лентой сечением 50x0,5 мм. Параметры режимов наплавки: ид = 32 34 В, 1Д = 600 -г- 650 А, ток постоянный, полярность обратная. Скорость наплавки изменяли от 0 до 15 м/ч.
Для ускорения и повышения точности получаемой информации, а также представления ее в удобном для анализа виде и автоматизации процесса обработку результатов экспериментов проводили с использованием ПК, обеспечивающего существенное снижение трудоёмкости и повышение достоверности результатов.
1,
75
50
25
/2
,1
5 10 15
Скорость наплавки, м/ч
а)
5 10 15
Скорость наплавки, м/ч
б)
Рис. 2 - Влияние скорости наплавки на величину тока, проходящего через расплавленный флюс (у)
В результате проведенных исследований и расчетов установлено, что при уменьшении скорости наплавки увеличивается ток шунтирования, что отражено на графиках (рис. 2). При использовании флюса АН-348А, обладающего высокой электропроводностью в расплавленном состоянии, в отличие от флюса ЖСН, величина тока шунтирования достигает больших значений.
При неподвижном сварочном автомате (Ун = 0) величина тока, проходящего через расплавленный флюс достигла максимальных значений. На у, % ( ! ! осциллограммах отчетливо
прослеживается сложный ха-15. »_________________________;_________________ рактер изменения тока зондирующего источника, включающий ветви его нарастания и ю 1\ •»«. / ! снижения (рис. 3, а). Это можно
объяснить динамикой шлаковой оболочки после отключения сварочного источника. Время его отключения близко к нулю (участок 1 - 2). При включении зондирующего источника ток 1ЗИ резко возрастает (участок 2 - 3), оставаясь постоянным на участке 3 - 4. За промежуток времени от точки 1 до точки 3 (0,004 с) исчезает остаточная проводимость плазмы, а теплофизические характеристики токопроводящего слоя шлака практически не успевают измениться. Значение 1ЗИ на участке 3-4 позволяет достоверно оценить величину тока шунтирования.
По мере уменьшения давления в шлаковой оболочке изменяется сечение токопроводящего слоя расплавленного флюса, а также геометрия жидкой прослойки под электродом. Это приводит к значительному возрастанию 1ЗИ (участок 4-5). Вместе с тем, снижение температуры и, следовательно, электропроводности шлака способствует уменьшению тока зондирования (участок 5-6).
С увеличением скорости наплавки (особенно при наплавке электродной лентой) характер изменения величины 1ЗИ отличается от вышеописанного - отсутствуют ветви нарастания 4 - 5 и снижения 5-6 (рис. 3, б), что, вероятно, связано с изменением характера плавления флюса и отсутствием шлаковой оболочки.
Таким образом, результаты проведенных экспериментов подтвердили предположение о том, что характер изменения тока зондирующего источника (рис. 3) существенно меняется б) в зависимости от скорости наплавки. Для не-
подвижного источника и очень редко для источников, движущихся с относительно малой Рис. 3 - Осциллограммы процесса электри- скоростью, когда имеется вероятность сущест-ческого зондирования межэлектродного вования шлаковой оболочки и есть соответст-промежутка.
1д
и„ и3>
1д
и„ и„
1зи 1 /Ч, ЛЛААДА/" /'* / 3 Г---
1 ^ I ^изи
2 б/
1, с
а)
1 ! ид
ЛАЛЛЛАГ 5
/3/
Л Г 4 4
1 /
2 6 /
1, С
вующие условия для ее создания (интенсивное плавление флюса, движущийся факел, ванна жидкого металла и др.) характер изменения тока зондирующего источника будет соответствовать рисунку 3, а, а с увеличением скорости - рисунку 3, б.
Результаты данной работы могут быть использованы в дальнейших исследованиях в области управления эффективностью и качеством широкослойной наплавки электродной лентой.
Выводы
1. Представленные результаты изучения влияния скорости наплавки на условия плавления флюса свидетельствуют о том, что эффективность плавления флюса излучением дуги ничтожно мала.
2. Полученные экспериментальные данные по измерению тока шунтирования позволяют высказать предположение о том, что характер образования шлаковой оболочки определяется теплофизическими свойствами флюса и скоростью наплавки.
3. Показано, что с увеличением скорости наплавки уменьшается ток шунтирования. При этом характер изменения тока зондирующего источника существенно меняется в зависимости от скорости наплавки.
4. Эффективность изменения тока шунтирования больше у ленточного электрода, что позволяет наметить пути управления процессом дуговой наплавки электродной лентой, повышения качества и производительности процесса наплавки.
Перечень ссылок
1. Любавский КВ. Металлургия сварки стали плавлением: Справочник / КВ. Любавский. -М.: Машгиз, 1960.
2. Подгаецкий В.В. Флюсы для механизированной электросварки / В.В. Подгаецкий. -К.: ГИТЛУССР, 1961. - 134 с.
3. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением / A.A. Ерохин. - М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.
4. Влияние шунтирования дуги расплавленным флюсом на устойчивость процесса наплавки лентой / Л.К Лещинский, П.Ф. Лаврик, В.В. Тарасов, В.А. Бесхлебный II Сварочное производство. - 1970. - № 6. - С.7-9.
5. Патон Б.Е. Экспериментальное исследование процесса автоматической сварки под слоем флюса 1Б.Е. Патон, A.M. Макара. - К.: АН УССР, 1944. - 93 с.
6. Остапенко Н.Г. Исследование зоны дуги, горящей под флюсом, с помощью рентгеновских лучей / Н.Г. Остапенко , Б.И. Медовар II Автогенное дело. - 1947 . - № 11. - С. 16-20.
7. Кузъменко В. Г. Особенности плавления и отвердевания флюса при дуговой сварке / В. Г. Кузъменко II Сварочное производство. - 1999. - № 10. - С. 16-22.
8. Гулаков С. В. О передаче тепла от источника к фронту плавления через жидкий металл сварочной ванны / С. В. Гулаков, Б. И. Носовский II Сварочное производство. - 1982. -№ 6. - С. 5-6.
9. Исследование процесса плавления флюса дугой / С.В.Гулаков, Б.И. Носовский, И.В. Тара-сенко, И.С. Псарёва II Автоматическая сварка. - 2001. - № 8. - С. 25-27.
10. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга / Г. И. Лесков. - М.: Машиностроение, 1970. -335 с.
11. Особенности процесса дуговой сварки под флюсом / Б.И.Носовский, Л.К. Лещинский, О.Б. Брайловский, В.Н. Матвиенко II Автоматическая сварка под флюсом. Материалы краткосрочного семинара. - Ленинград: ЛДНТП, 1981. - С.47-50.
12. Размышляев А.Д. Исследование тока, шунтирующего дугу через шлак, при наплавке под флюсом I А.Д. Размышляев II Сварочное производство. - 1982. - № 5. - С.38-39.
Статья поступила 04.03.2004
