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

(-мыльный раствор), показали, что размер капель умень­ шался, по форме они приближались к сферическому конусу, а не полусфере. Однако, как показали замеры, уменьшение размеров капель не очень велико — в пре­ делах нескольких процентов. При этом эффект влияния поверхностно-активных веществ одинаков независимо от метода введения их в каплю: в жидкость до образования капли, в образующуюся каплю и любую точку ее, так как поверхностно-активное вещество быстро распространя­ ется по всей поверхности капли. По сравнению с влияни­ ем на размер капли температуры и паров эффект влия­ ния поверхностно-активных веществ незначителен.

Совместный переход капель металла и шлака

Выше рассматривался переход капли только одной жидкости. Но при расплавлении электрода одновремен­ но с металлом плавится и покрытие. Расплавленное по­ крытие — шлак вместе с каплями металла также перехо­ дит в сварочную ванну. Взаимодействие между ними имеет существенное значение для сварочной металлур­ гии. В связи с этим совместный переход металла и шла­ ка представляет большой интерес.

Для экспериментального исследования совместного перехода двух жидкостей была использована водяная модель. На конце трубки диаметром 10 мм образовыва­ ли капли диаметром около 5 мм за 3—5 с. На каплю подавали вторую жидкость, растворимую или нераство­ римую в воде. Этим имитировались компоненты элект­ родного покрытия, растворимые п нерастворимые в жид­ кой стали. В качестве растворимых веществ был принят водный раствор анилинового красителя, а в качестве не­ растворимого — минеральное (трансформаторное) мас­ ло. В отдельных случаях применяли древесные опилки и смеси указанных веществ. Все применяемые жидкости наносили на поверхность трубки, откуда они стекали на образующуюся каплю воды (рис. 7). Такая подача соот­ ветствовала способу перехода расплавленного электрод­ ного покрытия на каплю металла.

На приготовленные специально электроды из прутков стали марки СВ-08 диаметром 5 мм наносили покрытие из компонентов, растворимых в жидком металле-— же­ лезный порошок — и нерастворимых — шлакообразую-

30-

іцііх (равные весовые доли мрамора н полевого шпата). Было приготовлено шесть составов покрытия с разным весовым соотношением компонентов.

Количество покрытия на электродах всех номеров было одинаковым, что регулировалось толщиной по-

Рис. 7. Взаимодействие «шла­ ка» с жидкостью капли: а — растворимого в жидкости; 6 — нерастворимого в жидкости

крытия на сторону. Эти электроды расплавляли как в косвенном пламени угольной дуги, так и в сварочной ду­ ге постоянного тока силой 150 А. Малая сила тока позво­ ляла удлинять время существования капли, что облег­ чало наблюдения. Результаты экспериментов в основном сводятся к следующему.

В о д я н а я м о д е л ь . При нанесении па образую­ щуюся каплю растворимого вещества — анилинового красителя—капля быстро, в доли секунды, окрашива­ лась. Отдельные струйки красителя при этом затягива­ лись внутрь капли, и тем быстрее, чем больше скорость воды образующейся капли — скорость образования кап­ ли. При внесении красителя сбоку растущей капли острым пером он также быстро распространялся по капле, а при внесении снизу растущей капли он успевал окрашивать всю каплю. Однако при скорости образо­ вания капли больше одной в секунду нижняя часть ее окрашивается гуще, так как встречный поток воды за­ держивает распространение красителя.

Когда на образующуюся каплю наносили масло, то оно, не смешиваясь с водой, растекалось по поверхности капли, стекая по поверхности вниз. Внизу масло могло образовать самостоятельную каплю, если скорость пото-

31

ка его больше скорости потока воды, которая отрыва­ лась от воды, образуя каплю масла. Если поток воды обеспечивал достаточно быстрый рост капли воды, то водяная капля, содержащая в нижней части масло, от­ рывалась. При малой скорости роста капли воды (одна капля в течение 2—3 с) масло, подаваемое с одной сто­ роны ее, успевало растекаться по всей поверхности во­ дяной капли. Масло, подаваемое при задержке подачи воды, покрывает всю поверхность зародыша водяной капли и начинает образовывать самостоятельную каплю. Если в этот момент подать воду, то из масла внизу и во­ ды сверху образуется общая капля. При отрыве капли масла от поверхности воды разрыв жидкостей происхо­ дит не по границе их соприкосновения, а по маслу, и на поверхности капли воды после этого остается тонкий слой его.

Если масло подавать внутрь образующей капли воды (по тонкой дополнительной трубке, вставленной по цент­ ру основной), то оно, не смешиваясь с водой, образует самостоятельные включения. При подаче масла со ско­ ростью, меньшей скорости подачи воды, масло, находясь

трубке, введенной в центр капли, то слой масла также разрывается и разбрызгивается вместе с водой. Остаю­ щиеся на остатках капли воды частицы масла быстро объединяются, собираясь на поверхности капли воды преимущественно в нижней части. Частицы масла, попа­ дающие внутрь капли воды в момент ее разрыва, быстро,

может находиться непродолжительное время. Можно провести некоторую аналогию между каплей во­ ды, покрытой маслом, и стальной каплей электродного металла, покрытой шлаком, нерастворимым в стали. Если масло длительно не может находиться внутри кап­ ли воды, то, по-видимому, и шлак не может находиться внутри капли электродного металла.

32

Своеобразно ведут себя древесные опилки. Сухие опилки располагаются па поверхности капли воды и, пе­ ремещаясь вниз с потоком воды, падают вместе с кап­ лей воды. Опнлкп, смоченные водой, также размещаются на поверхности капли воды, по при перемешивании могут перемещаться н внутрь капли. Если капля висит дли­ тельно, то смоченные опилки, перемещаясь по объему капли, скапливаются внизу ее. Если на каплю воды на­ носить опилки, смоченные в водном растворе красителя, то вода быстро окрашивается, при этом опилки частично затягиваются внутрь капли. Под влиянием потока воды растущей капли опилки премещаются по всему объему и стремятся в нижнюю часть ее.

Опилки, смоченные в масле, располагаются только на поверхности капли воды. Если произвести механи­ ческое перемешивание и опилки ввести внутрь капли, то они стремятся быстро выйти на поверхность капли воды. Если на каплю воды наносить смесь, состоящую из опи­ лок, смоченных красителем, и опилок, смоченных ма­ слом, то масляные опилки располагаются по поверхно­ сти капли, а окрашенные — не только по поверхности, но и затягиваются внутрь капли, окрашивая воду. Такую смесь готовили для разных соотношений крашеных и масляных опилок (от 20 до 80%). При этом замечено, что чем больше в смеси крашеных опилок, тем интен­ сивнее они проникают внутрь капли воды и даже увле­ кают за собой масляные опилки. Окрашивание воды заметно при наличии 25—30% крашеных опилок в сме­ си, а при наличии больше 50% крашеные и масляные опилки довольно свободно перемещаются с поверхности в объем капли воды.

Р а с п л а в л е н и е э л е к т р о д о в к о с в е н н ы м

пла ме не м. При плавлении электрода № 1 капли шла­ ка и металла образуются самостоятельно. Если шлак и металл плавятся с одинаковой скоростью, то могут обра­ зоваться две капли, прижатые друг к другу по вертика­ ли и падающие вместе. Если металл плавится с меньшей скоростью, то шлак стекает по металлической капле вниз и падает в виде самостоятельной капли, без перемеши­ вания металла и шлака. При плавлении электрода № 2 почти так же, как и в предыдущем случае, шлак и ме­ талл образуют капли самостоятельно. Иногда наблюда­ ется растекание шлака по поверхности капли металла.3

При плавлении электрода № 3 капли металла доволь­ но хорошо покрываются шлаком. Шлак и металл, пере­ мещаясь вместе и часто перемешиваясь, образуют об­ щую каплю. В некоторых случаях происходит не очень хорошее растекание шлака по металлу и образуются самостоятельные капли шлака. При плавлении электро­ да № 4 шлак, хорошо растекаясь по капле металла и перемешиваясь с ним, образует общую каплю. При плав­ лении электрода № 5 и особенно № 6 шлак и металл на­ столько хорошо перемешаны, что неразличимы. Образу­ ется общая хорошо слитая капля.

Р а с п л а в л е н и е э л е к т р о д а в с в а р о ч ­ ной дуге. Растекание шлака по капле металла и пе­ ремешивание наблюдались уже при расплавлении элект­ рода № 2. Это значит, что условия непосредственного расплавления электрода в сварочной дуге способствуют более интенсивному взаимодействию шлака и металла.

Полученные данные показывают, что при одновре­ менном образовании капли двух жидкостей могут перехо­ дить или в виде двух самостоятельных, или образовывать одну общую. В значительной степени это зависит от вза­ имной растворимости обеих жидкостей. Если жидкости взаимно растворимы, то они смешиваются, образуя об­ щую каплю. Растворение начинается с поверхности со­ прикасания жидкостей и может перейти в объем капли очень быстро, в доли секунды.

Если жидкости взаимно нерастворимы, то они не сме­ шиваются между собой и стремятся образовать само­ стоятельные капли. Иногда может образоваться и одна капля, но она будет состоять из двух не смешанных меж­ ду собой жидкостей. Если иа образующуюся основную каплю жидкости подавать вторую, состоящую из смеси веществ, растворимых и нерастворимых в первой жидко­ сти, то взаимодействие, их несколько осложняется. Когда во второй жидкости содержится не более 20% веществ, растворимых в первой, смешивания между ними не про­ изойдет. По-видимому, это можно объяснить тем, что молекулы нерастворимого вещества замешают свобод­ ные связи на поверхности воды, образуя пленку доста­ точной толщины, которая изолирует растворимое веще­ ство от непосредственного контакта с первой жидкостью. При этом могут образовываться две самостоятельные капли.

34

Когда во второй жидкости растворимое вещество со­ ставляет 40—50%, то наблюдается все возрастающее пе­ ремещение его внутрь капли первой жидкости. При этом затягиваются и нерастворимые вещества, и чаще всего образуется одна общая капля. Когда во второй жидкости растворимого вещества содержится более 50%, то прак­ тически происходит полное перемешивание обеих жидко­ стей и образуется одна капля.

2. СВАРОЧНАЯ ВАННА

Механическое воздействие сварочного пламени на ванну

Сварочная ванна представляет собой жидкую часть сварочного шва. Находясь в области непосредственного соприкасания со сварочным пламенем, металл ванны на­ грет до высокой температуры. Под влиянием сил, дейст­ вующих в дуге, создается давление дуги на ванну, ме­ талл смещается к задней стенке ванны из-за наклона электрода. При этом металл ванны все время колеблет­ ся, образуя гравитационные волны довольно большой амплитуды. Динамическое взаимодействие дуги и метал­ ла ванны можно представить в виде схемы действующих сил, образующих треугольник (рис. 8). Пользуясь этой схемой, соотношения между ними выразим следующим образом:

sin аэ

Как видим, два основных параметра динамической схемы связаны между собой углом наклона электрода.

Рис. 8. Схема (а) и треугольник (б) сил, действующих в сварочной ванне: р — сила давления дутья дуги; G — сила тяжести, опреде­ ляемая массой металла ванны; (J+T) — сила инерции и трения жидкости; а0 — угол наклона электрода к горизонтали

Общая величина давления дутья дуги иа ванну опреде­ ляется рядом слагаемых, из которых большое значение имеют давление потока газов и паров столба дуги, дав­ ление падающих капель электродного материала, давле­ ние, связанное с наличием электромагнитных сил, и ре­ активное давление потока паров с поверхности активно­ го пятна, расположенного на ванне. Кроме того, в дуге действуют еще световое давление, давление потока ио­ нов, поверхностная активность и др. Для средних режи­ мов ручной электродуговой сварки расчеты дают следую­ щие значения давления дуги на ванну (в Ньютонах).

Следует отметить, что величина давления, полученно­ го расчетом, довольно хорошо совпадает с эксперимен­ тальными данными разных авторов [2, 7]. А. В. Петров рекомендует общее давление дуги на ванну при сварке в среде аргона плавящимся электродом определять с учетом только силы тока по уравнению

Для силы тока 250 А это уравнение дает давление 0,04 Я, что несколько ниже обычного, определяемого экспериментально. Для ручной сварки ня средних режи­ мах давление на ванну можно принять в пределах 0,05— 0,06 Я, что близко совпадает с экспериментальными дан­ ными.В таком случае, пользуясь уравнением (23), можно определить массу, жидкого металла ванны. Приняв угол наклона электрода ссэ = 60э (обычная величина при свар­ ке), получим

G = P s m a a =(0,05 — 0,06)-102-0,86 = 4,4 — 5,2 а.

Іакая величина массы жидкого металла ванны хорошо совпадает с экспериментальными данными многих ав­ торов.

36

Гидравлическое моделирование сварочной ванны

С целью более детального изучения взаимодействия давления дуги с металлом сварочной ванны целесооб­ разно использовать гидравлическое моделирование это­ го взаимодействия [17]. Гидравлическая модель представ­ ляет сосуд с моделирующей жидкостью, на поверхность которого воздействует струя газа, подаваемого по труб­ ке. Все параметры модели и моделирующая жидкость определяются на основе теории подобия. Конечно, такая модель «холодной» ванны не отражает все особенности сварочной ванны, находящейся в условиях температур и подверженной электромагнитным, оптическим и физико­ химическим воздействиям. Тем не менее гидравлическая модель позволит выявить влияние основных динамиче­ ских и физических параметров на состояние ванны. Это окажет большую помощь при анализе процессов, прохо­ дящих в сварочной ванне, непосредственно наблюдать которые трудно из-за высокой температуры и яркости сварочного пламени и кратковременности их.

Перемещение жидкой стали сварочной ванны под влиянием давления дуги определяется физическими свойствами жидкой стали, такими, как вязкость и по­ верхностное натяжение. При выборе моделирующей жидкости следует руководствоваться такими критерия­ ми подобия, в которые входили бы обе эти физические характеристики. Насколько известно, нет ни одного кри­

В качестве второго критерия подобия используем крите­ рий Галилея, в который входит вязкость:

В этих уравнениях g — ускорение силы тяжести; ѵ — кинематическая вязкость; сг — поверхностное натяжение;

37

нас физические характеристики, но каждый в отдельно­ сти. Чтобы воспользоваться ими для характеристики по­ добия физических свойств моделирующей жидкости и

Полученный критерий К достаточно полно выражает физические свойства жидкости, характерные для свароч­ ной ванны. При расчете критерия в качестве определяю­ щего геометрического параметра целесообразно взять гидравлический радиус ванны R, представляющий со­ бой отношение площади живого сечения ваниы F к смо­ ченному периметру ее S:

Для средних режимов ручной электродуговой сварки сечение ванны можно принять в форме полуэллипса, тогда

38

Принимая для этих условии глубину проплавления — глубину ванны Іі= 3 мм и ширину ванны — ширину шва Ь = 12 мм, получаем для стальной сварочной ванны

Величину критерия К по уравнению (27) для жид­ кой стали можно определить, подставив соответствую­ щие значения величин, входящих в него (g = 981 см/с2,

о = 12- ІО-3 Н/см, іі = 0,34-ICH3 Н/см-с, ѵ = 0,005 см2/с):

В выражение для определения критерия К, согласно уравнению (27), входит только одна величина — гидрав­ лический радиус ванны, которая не определяется свой­ ствами жидкости, а зависит от особенностей сварочного процесса. Поэтому при выборе моделирующей жидкости величину R можно взять за определяющий параметр, сравнивая значение гидравлического радиуса стали, сог­ ласно уравнению (28), и выбираемой жидкости. Из урав­ нения (27)

Рассчитывая величину гидравлического радиуса для разных жидкостей и сравнивая ее с гидравлическим ра­ диусом стальной ванны, можно подобрать жидкость, которую наиболее целесообразно использовать для со­ здания моделей. При выборе жидкости руководствуются ее физическими свойствами, доступностью и удобством применения. Для сравнения можно взять три жидкости, разные по физическим свойствам: воду, глицерин, ртуть. Подставляя их значения, приведенные выше, в уравне­ ние (32) и приведя к одинаковой размерности, получаем значения гидравлического радиуса:

вода

39