книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

электродом диаметром 5 мм и силе тока 250 /1, напря­ жении на дуге 25 В к коэффициенте расплавления сср=12 г/а-ч количество металла, расплавляемого в 1 с,

Сс = ар/ =12.250-1/3600 = 0,83 г.

Количество тепла, затрачиваемое на расплавление этого веса металла, по уравнению (7)

Количество тепла, которое надо затратить, чтобы на­ греть сталь от нормальной температуры Т0 до темпера­ туры плавления Т„ п даже до температуры кипения 7'.ѵ-, или полное теплосодержание стали при указанных тем­ пературах, можно определить по уравнению

емкость жидкой стали в интервале температур от Тп до

6400 дж/г.

Подставив эти значения в уравнение (9), получим

q = 0,73 (1530 — 25) + 270 + 0,76(2900 — 1530) + 6400,

или

q = 1102 4- 270-!-1038-1-6400=2410+6400=8810 дж/г. (10)

Из сравнения полученных значений тепла (8) н (10) видно, что мощности сварочной дуги, расходуемой на расплавление прутка, вполне достаточно для нагрева жидкого металла до температуры, близкой к кипению. Однако кипения металла ие произойдет, так как очень велика скрытая теплота парообразования для стали и мощности сварочной дуги при обычном режиме недоста­ точно для полного испарения. При этом надо учесть, что фактическая температура жидкого металла прутка бу­ дет ниже средней расчетной температуры, так как часть тепла будет затрачена на расплавление электродного

10

которой зависит от состава шлака. Для шлаков разного состава она лежит в пределах 6—12 дж/г-°С. Поэтому можно принять теплоемкость жидких шлака и стали равной около 9 дж/г-°С. При определении коэффициента расплавления для учета количества расплавляемого по­ крытия принимаем, как и раньше, относительную массу покрытия равной 30%. В таком случае коэффициент расплавления прутка и шлакаоір= 12+ 0,3-12= 15,6 г/А-ч.

Далее принимаем г)э=0,3 и U = 25 В. Подставив эти зна­ чения в уравнение (12), получим

удовлетворительным. Можно полагать, что средняя тем­ пература переходящего материала в пламени сварочной дуги находится в пределах 2100—2200 °С. Это не исклю­ чает того, что отдельные порции металла, например под­ вергающиеся непосредственному воздействию активного пятна, могут быть нагреты до более высокой температу­ ры, вплоть до кипения металла. Как указывалось выше, в сварочной дуге имеется 468 дж/г избыточного тепла, которого достаточно для испарения около 10% расплав­ ленного металла. При этом надо иметь в виду, что испа­ рение жидкости может происходить при всех температу­ рах, особенно если жидкость находится в среде с темпе­ ратурой выше температуры ее кипения. Так, исследова­ ния испарения капель воды в нагретом потоке воздуха показали (рис. 3), что оно происходит с большими ско­ ростями, хотя температура капель не достигает темпера­ туры кипения. При этом время существования капли во­ ды зависит от скорости нагретого воздушного потока и резко изменяется с повышением температуры его.

В сварочной дуге капля металла, не нагретая до тем­ пературы кипения, окружена газами, нагретыми до очень высоких температур — около 5—8 тыс. град. Поэтому испарение металла может идти интенсивно, и даже от­ дельные капли могут превращаться в пар, что наблюдал А. В. Петров [7, 8]-.

Из-за трудности экспериментирования достоверные данные о количестве испаряющегося металла не получе­ ны. Так, А. В. Петров указывает, что в парообразное со­

12

стояние может переходить от 10 до 20% электродного металла. И. Д. Кулагин и А. В. Николаев [9] прини­ мают коэффициент испарения при расплавлении голого электрода диаметром 5 мм при прямой полярности и си­ ле тока 100—200 А равным 0,2-ІО“3 г/А-ч и при 300—■ 1300 А равным 0,6-10_3 г/А-ч. Если голый стальной пру­ ток диаметром 5 мм расплавлять на прямой полярности при силе тока 250 А, то коэффициент расплавления мож-

Рпс. 3. Влияние температуры воздушного потока: а — на время суще­ ствования капли (скорость воздушного потока: 1 — 1; 2 — 3; 3 — 6 м/с)-, б — на температуру капли воды

но принять равным около 20 г/А-ч, т. е. будет расплав­ ляться 1,4 г/с. С учетом приведенных коэффициентов испарения можно наметить следующие пределы количе­ ства испаряющегося металла: нижний — 0,2-10~5- •250/1,4 = 3,6%, верхний — 0,6- ІО-5-250/1,4= 11%.

Таким образом, для средних режимов сварки с уче­ том экспериментальных данных и баланса тепла можно принять, что испаряется около 10% расплавленного ме­ талла; при форсированных режимах может испаряться до 15% и более. Остальная, основная, часть металла пе­ реходит в сварочной дуге в виде капель жидкого ме­ талла.

Размер переходящих капель

Если размер образующихся и переходящих капель связывать только с физическими свойствами жидкости, то для одной и той же жидкости, меняя ее свойства (на­ пример, поверхностное натяжение), можно получать капли разного размера. Если созданы определенные ус­ ловия образования капель, то все капли должны обра­

13

зовываться строго постоянного размера. При расплав­ лении электрода в сварочной дуге размер переходящих капель колеблется в широких пределах, начиная от ми­ нимальных долей миллиметра до максимальных (5— 6 мм). Причем такой широкий диапазон размеров обра­ зующихся капель имеет место при одном и том же элек­ троде и режиме его расплавления. Изменяя состав электрода или режимы его расплавления, можно в из­ вестных пределах менять размер переходящих капель. Однако при этом будут образовываться капли не только данного (преимущественного) размера, но и других раз­ меров, хотя и в меньшем количестве. Экспериментально выявлены две группы факторов, влияющих на преиму­ щественный размер переходящих капель [5].

1. Способствующие увеличению размера переходя­ щих капель. Из параметров режима сварки сюда отно­ сится сила тока — уменьшение силы тока способствует увеличению размера капель; из компонентов электрода увеличению размера капли способствуют легирующие и раскисляющие вещества.

2. Способствующие уменьшению размера переходя­ щих капель. Здесь также большое значение имеет сила

уменьшению размера капель способствуют кнслородосодержащие вещества. Если в покрытии электрода име­ ются легкоплавкие вещества (свинец, сурьма, висмут и др.), то размер переходящих капель уменьшается.

Не оказывают заметного влияния на размер перехо­ дящих капель род тока и полярность, отчасти напряже­ ние на дуге. Количество вещества также влияет на раз­ мер переходящих капель. Наличие в электроде двух веществ, оказывающих противоположное влияние на раз­ мер переходящих капель, не изменяет величину капель вследствие взаимного влияния. Достаточно удовлетвори­ тельного объяснения влияния указанных факторов нет. Но, по-видимому, влияние силы тока можно объяснить, например, количеством пара в зоне сварочного пламени.

С повышением силы тока температура дуги несколь­ ко увеличивается. Но более важно пропорциональное увеличение площади анодного пятна, которое является поставщиком паров металла [10]. Увеличение паров в дуге способствует уменьшению размера капель.

14

Некоторое повышение температуры дуги способству­ ет росту температуры капель, что ускоряет прохождение реакций в капле, в том числе и с газообразными продук­ тами— окисление углерода. Эти газы (при образовании их внутри капли), стремясь вырваться наружу, разры­ вают каплю, размельчая ее. Увеличение газов в дуге по­ вышает скорость их перемещения, и газовый поток мо­ жет увлечь за собой каплю, ускоряя ее отрыв.

Кислородосодержащие компоненты повышают кон-

•центрацию кислорода в дуге. Это усиливает реакции окисления и размельчение капель [4]. С другой сторо­ ны, кислород, по-видимому, так же как и более легко­ плавкие вещества, снижает поверхностное натяжение металла, что способствует размельчению капель. Рас­ кисляющие, легирующие элементы с этой точки зрения оказывают противоположное влияние.

При расплавлении одного и того же электрода на од­ ном и том же режиме образуются капли, размеры кото­ рых колеблются в больших пределах. Это можно объяс­ нить совместным действием всех факторов. При горении дуги одновременно действует много факторов, влияю­ щих на размер капель. Эффективность действия их ко­ леблется около среднего значения, изменяясь во време­ ни. В какой-то момент времени максимальные значения факторов, способствующих, например, увеличению раз­ мера капель, совпадают — капли образуются крупные; в другой момент времени совпадают максимальные зна­ чения факторов, способствующих размельчению ка­ пель,— капли образуются мелкие. Иными словами, здесь действуют законы вероятностей, определяющие преиму­ щественные размеры капель при данных условиях рас­ плавления электрода.

Моделирование капельного перехода

Процесс образования и перехода капель металла в сварочной дуге можно представить состоящим из отдель­ ных последовательно проходящих стадий: образование зародыша, рост капли, образование шейки, уменьшение ее и отрыв. Форма отрывающихся капель разнообразна, но приближается к форме шара. Поэтому обычно размер переходящих капель характеризуют их диаметром, кото­ рый лежит в пределах от микроскопических до 5—6 мм.

15

Капли более крупные практически не наблюдаются. Ха­ рактерной особенностью каплеобразоваиня при электро­ дуговой сварке является то, что при данном режиме рас­ плавления образуются капли всех размеров — от мини­ мальных до максимальных. Количество тех и других ка­ пель существенно зависит от режима сварки.

Образование капли и условия ее отрыва имеют боль­ шое значение для сварочной металлургии. Вследствие, кратковременности этих процессов, высокой яркости и температуры сварочного пламени наблюдать за образо­ ванием капли очень трудно. Для более детального изу­ чения процесса образования и отрыва капель целесооб­ разно прибегнуть к моделированию этих процессов.

Моделирование, в частности физическое, когда для экспериментирования применяется иная физическая сре­ да, широко используется при исследовании различных процессов гидравлики, теплопередачи и даже химиче­ ской кинетики [11]. Капля металла, образующаяся на конце электрода, является жидкостью, которая подчиня­ ется определенным законам гидродинамики. При изуче­ нии потока жидких металлов законы гидродинамики ши­ роко применяются с использованием теории подобия и критериальных уравнений, что позволяет исследовать на моделях отдельные этапы движения потока [12]. Моде­ лирование дает возможность получать точные данные или наблюдения при течении жидкости, производя на­ блюдения в более удобных условиях или заменяя одну жидкость другой. Так, в моделях жидкую сталь иногда заменяют более легкоплавкими сплавами алюминия, олова, свинца, которые легче получить в жидком состоя­ нии и работа с которыми существенно упрощается. Практикуется замена жидкой стали водой .[13]. Это упрощает исследования, и благодаря прозрачности воды удается наблюдать процессы, проходящие внутри жид­ кости, что недоступно при применении жидких металлов. Естественно, моделирование можно успешно применять при изучении капельного перехода электродного мате­ риала. Чтобы результаты, полученные на моделях, пере­ нести на натуру, необходимо соблюдать определенные соотношения (подобия) параметров явлений в натуре и на модели. Для моделирования физических явлений или процессов используется теория подобия, основанная на учении о размерностях физических величин [14, 15].

16

Согласно теореме М. В. Кирппчева и А. А. Гухмана, два явления подобны, если они описываются одинаковой системой уравнений и имеют подобные условия однозначности. Поэтому моделирование 'предполагает со­ блюдение геометрического, кинематического, динамиче­ ского и физического подобий. При изучении сходствен­ ных процессов путем моделирования широко использу­ ются соответствующие критерии подобия, которые позво­ ляют устнавливать масштабы физических свойств, сил, скоростей и пр. При этом непосредственных измерений на натуре не требуется, если они сделаны на модели. Применение критериев подобия существенно облегчает моделирование, способствуя широкому применению их при исследовании соответствующих процессов или явле­ ний [16, 17].

Моделью, воспроизводящей образование капли на конце электрода и переход ее при достижении опреде­ ленного размера, может быть трубка, из которой выте­ кает жидкость. Естественно, принятая модель капельно­ го перехода, конечно, не воспроизводит всех условий об­ разования и перехода капель в сварочной дуге. Это характерная особенность моделирования, перед которым часто ставятся задачи получения ответов не по всему явлению или процессу, а только по отдельным характер­ ным этапам или стадиям. В частности, задача моделиро­ вания капельного перехода состоит в выявлении самого процесса образования капель жидкости, сопровождаю­ щих этот процесс явлений, основных параметров' процес­ са и их соотношений. Принятая методика и модель впол­ не способны решать поставленные задачи, что имеет большое значение для понимания процессов образова­ ния и перехода капель в сварочном пламени.

Размер трубки (диаметр), скорость роста капли, так же как и моделирующую жидкость, можно выбрать на основе теории подобия, руководствуясь соответствующи­ ми критериями подобия. Поскольку образование и рост капли связаны с перемещением жидкости в трубке при

v I

Взяв каплю в форме шарика, за определяющий гео­

жидкости примем скорость роста радиуса капли, вели­ чина которой будет определяться размером капли к мо­ менту отрыва. Размер капель электродного материала различен для разных условий расплавления, и радиус ка­ пель лежит в пределах от долей миллиметра до 3 мм. Причем во всех случаях расплавления образуются кап­ ли указанных размеров, по отдельные режимы свар­ ки способствуют образованию капель преобладающего размера. Применительно к расплавлению электродов ти­ па Э-42 принимаем, что преобладающим средним разме­ ром является радиус капли 1,5 мм. В таком случае мож­ но определить основные параметры капли принятого среднего размера для заданных режимов расплавления. Например, пусть расплавляется стальной электрод диа­ метром 0,5 см при силе тока 250 А и коэффициенте рас­ плавления ар=12 г/а-ч. Для принятых условий масса металла, расплавляемая за 1 с, будет равна 0,83 г/с, а вес капли средних размеров при удельном весе жидкой стали ус = 7,1г/см3—0,0994г, или, округляя, 0,1 г. Следо­ вательно, в 1 с будет образовываться 8,3 капли. Время

Такая величина критерия по сравнению с обычными чис­ лами Рейнольдса невелика и свидетельствует о лами­ нарном потоке жидкости, образующем каплю. Это зна­ чительно облегчает моделирование.

Анализ процесса образования капли показывает, что существенное значение при этом имеет величина поверх-

18