CC BY
33
pBICHHK ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК 621.791.753.042.5
Гулаков C.B.1, Ярыза-Стеценко A.B.2, Псарёва И.С.3 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПЛАВЛЕНИЯ ФЛЮСА ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ
На основе анализа энергетических характеристик сварочных дуг, горящих под
различными флюсами, предложен новый подход к механизму их плавления.
Роль флюса при электродуговой сварке и наплавке многогранна. Слой шлака защищает реакционную зону от атмосферного воздействия, оказывает влияние на геометрию, химический состав, структуру и свойства шва, определяет энергетические характеристики дуги, как источника теплоты, стабильность ее горения и др. [1, 2]. Особенно важно оценивать и управлять характером плавления легирующих керамических флюсов, от условий взаимодействия которых с жидким металлом зависит степень легирования наплавленного металла [3, 4].
Из литературных данных известно [5, 6], что основной вклад в плавление флюса при дуговой сварке вносит энергия излучения столба дуги, при этом с ростом ее длины при повышении напряжения увеличивается объем расплавленного флюса [4]. В указанной модели дуга рассматривается как совокупность двух источников нагрева - точечного или, точнее, источника, распределенного по площади круга, равного площади анодного или катодного пятна, и линейного (цилиндрического), распределенного по поверхности столба дуги [7].
Под действием первого источника происходит нагрев и плавление электрода и основного металла. Приближенно можно считать, что мощность, выделившаяся на электроде, идет на плавление, перегрев и испарение металла электрода. Под действием второго источника происходит плавление флюса. При этом флюс плавится за счет излучения столба дуги на оболочку газового пузыря, охватывающего дугу [5].
Однако, практика показывает, что на характер плавления флюса влияют и другие факторы, не зависящие от длины и мощности излучения дуги. Так при сварке листов встык на флюсовой подушке количество расплавленного флюса с обратной стороны шва значительно и может быть соизмеримо с объемом шлака, расплавленного с лицевой стороны.
Поскольку роль столба дуги в плавлении флюса с обратной стороны листов ограничена [8], то, вероятно, имеются иные механизмы его плавления.
Целью работы является исследование условий плавления флюса и получения более полной информации о процессах, происходящих в зоне горения дуги.
Существующая теория плавления флюса [5], основанная на предположении о вкладе в этот процесс излучения столба дуги, базируется на том факте, что при высоких температурах (до 6000 °С) излучение преобладает над остальными способами теплопередачи. 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 работе [4] опубликованы данные о том, что увеличение сварочного тока с 300 до 800 А (при этом температура столба дуги повышается 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.
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, аспирант
3ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
Следует отметить, что многие факторы, которые отмечены в известной гипотезе о теории плавлении флюса (такие как заглубление дуги в основной металл, ее пространственное положение и др.), подтверждались рентгеновской съемкой [9], где длина дуги составляла порядка 8-10 мм. При этом следует отметить, что указанные эксперименты проводились в конце 40-х годов прошлого века на флюсах АН-1, АН-2, АН-3, АШ и др., у которых падение напряжения в приэлектродных областях было низким. В связи с этим и длины дуг были большие. Для современных флюсов падение напряжения в приэлектродных областях составляет 22 - 25 В [10] (см. табл. 1), поэтому сварка ведется на более коротких дугах.
Таблица 1 - Энергетические параметры сварочной дуги
Материал анода и катода Флюс Ед, В/мм ик+иА,в
Сталь низкоуглеродистая АН-3 3,5-3,8 9-10
АН-348 3,8-4,2 20-22
ОСЦ-45 4,1-4,3 23-25
В настоящее время в связи с появлением новой информации в этой области сформировались иные мнения о схеме плавления флюса при дуговой сварке [11].
В работе [12] 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 [13, 14].
В этой связи исследование закономерностей плавления флюса при электродуговой сварке (наплавке) является актуальной задачей.
Проанализируем условия выделения энергии в дуге и возможности ее влияния на характер плавления флюса.
Тепловой баланс дуговой сварки под слоем флюса, представленный в работе [5], показывает, что с увеличением напряжения с 36 до 42 В при одновременном снижении тока дуги более, чем в два раза (с 1000 до 450 А) количество энергии (энергии излучения столба дуги), идущей на плавление флюса, увеличивается с 18 % до 52 %, то есть на 34 %.
Рассмотрим характер распределения мощности в дуге. Падение напряжения на дуге происходит на трех составляющих элементах дуги - аноде, катоде и столбе дуги.
ид = иА + ик + ист = иА + ик + ЕдЬд, (1)
где иА + ик - приэлектродные падения напряжения, В; ист - падение напряжения на столбе дуги, В; Ед - градиент напряжения на столбе дуги, В/мм; Ьд - длина дуги, мм.
Зная градиент падения напряжения по длине столба дуги (Ед) и падение напряжения на нем (11ст), можно определить длину дуги. Расчет для напряжения на дуге ид = 30 В и указанных марок флюса показывает (рис. 1), что для флюса АН-3 длина дуги составляет 5 - 5,5 мм, для флюсов ОСЦ-45 и АН-348 - соответственно 1,5-2 мм. С ростом напряжения до 40 - 42 В дуга удлиняется соответственно до 8 - 8,5 и 3,5 - 4 мм. То есть дуга, горящая под флюсами АН-348 и ОСЦ-45 в 2 - 4 раза короче дуги, горящей под флюсом АН-3.
Поэтому говорить (при горении дуги под флюсами АН-348 и ОСЦ-45) о вероятности их плавления излучением столба дуги и заглублении в сварочную ванну столба или его части, когда длина дуги составляет всего лишь 1,5-2 мм при диаметре электрода 4-5 мм вряд ли корректно.
I 6,00
I 5,00
ч
3 4,00
С
3,00 2,00 1,00 0,00
Рис. 1 - Расчетная длина дуги, горящей под различными флюсами
Используя данные, приведенные в таблице 1 и выражение (1), можно рассчитать мощность, выделяемую в приэлектродных областях и столбе дуги (рис. 2), из которых видно, что дуга, горящая под флюсом АН-348 или ОСЦ-45 имеет протяженность (длину) в 2 - 4 раза меньшую, чем дуга, горящая под флюсом АН-3, а выделение мощности в приэлектродных областях и столбе дуги для флюсов АН-3 и АН-348 (а особенно для флюса ОСЦ-45) носит противоположный характер. Так для флюса АН-3 в дуговом промежутке выделяется 67 % мощности, а мощность, выделяемая в приэлектродных областях, составляет всего лишь 33 % и обратная ситуация имеет место для флюсов АН-348 и ОСЦ-45, где на столб дуги приходится всего лишь 30 % и 20 % соответственно.
ид = 30 В
АН-3 АН-348 ОСЦ-45
Марка флюса
АН-3
67 %
33 %
30 %
20 %
ОСЦ-45
70 %
80 %
Рис. 2 - Распределение мощности в дуге (Цц = 30 В):
1 - мощность, выделяемая в
приэлектродных областях (аноде и катоде);
2 - мощность, выделяемая в
столбе дуги.
При этом из работы [15] известно, что для флюсов АН-3 и АН-348 при одинаковых энергетических параметрах процесса сварки характер их плавления одинаков - количество расплавленного флюса (исследованных типов) не зависит от его марки, т.е. изменение энергии столба дуги более чем в два раза не влияет на характер плавления флюса.
Для оценки уровня изменения мощности, выделяемой в столбе дуги при регулировании напряжения на ней, были проведены расчеты и построен график, описывающий эту
зависимость (рис. 3) и график, показывающий расчетное приращение энергии в столбе дуги (ДЕ) при увеличении напряжения на ней с 36 до 42 В (рис. 4). Указанный диапазон изменения напряжения был выбран с учетом параметров режима, приведенных в работе [6] при построении диаграмм теплового баланса, ей
и
ё £ ц о ф ю
3 £ ш 5
о о
X
Н
о 2 о; с; о Ч
80
60
40
20.
—--I ---- ]——4 ди ^
Г- 1 г--- Ь—-*'•
АН-3481
ОСЦ-45
30 32 34 36 38 40 42
Напряжение на дуге, В
Рис. 3 - Доля мощности, выделяемой в столбе дуги в зависимости от напряжения
10
Д Е, %
6 4 2 О
ГО
I
X
<
00
го
I
к
<1
VI
I
я
О О
1д=1 ООО А
СО
I
I
<
00 41-
ГО
I
X
<
>Г) I
Я
и О
1д=450 А
Рис. 4 - Расчетное приращение энергии в столбе дуги (ДЕ) при увеличении напряжения на ней с 36 до 42 В
Из графиков (рис. 3 и 4) видно, что приращение мощности, выделяемой в столбе дуги, для флюсов АН-3, АН-348, ОСЦ-45 при увеличении напряжения с 36 до 42 В составляет около 4; 8 и 10 % соответственно. Но если обратить внимание на диаграмму теплового баланса [5], в которой приведен факт увеличения напряжения с 36 до 42 В при одновременном снижении тока практически в два раза, то и количество приращения энергии в столбе дуги для этих же флюсов составит 2; 4; 5 %. В то время как на диаграммах теплового баланса приращение энергии идущей на плавление флюса изменяется на 34 %.
Представленные факты говорят о несоответствии известной теории плавления флюса излучением столба дуги и участии в этом процессе иных источников энергии - теплоты металла сварочной ванны, а также других механизмах взаимодействия дуги с флюсом.
Полученные результаты исследований могут быть использованы при дальнейшем изучении особенностей плавления флюса при дуговой сварке (наплавке) с целью корректировки модели этого процесса.
Выводы
1. На основе анализа энергетических параметров сварочной дуги выявлено несоответствие характера изменения энергии излучения столба дуги и условий плавления флюса.
2. Показано, что увеличение напряжения на дуге с 36 В до 42 В при одновременном уменьшении тока в два раза дает приращение энергии (мощности), выделяемой в столбе дуги, на 2 - 4 % (для разных марок флюсов), в то время как из диаграмм теплового баланса для этих же режимов.
3. Результаты исследований показали, что в плавлении флюса, кроме радиационного теплообмена принимает участие и конвективный теплообмен.
Перечень ссылок
1. Петров Г.Л. Сварочные материалы /Г.Л. Петров - Л.: Машиностроение, 1972. - 280 с.
2. Потапов H.H. Основы выбора флюсов при сварке сталей / H.H. Потапов - М.: Машиностроение, 1979. - 168 с.
3. Багрянский КВ. Электродуговая сварка и наплавка под керамическим флюсом / КВ. Багрянский - К.: Техшка, 1976. - 184 с.
4. Фрумин И.И. О кинетике взаимодействия металла и шлака при сварке под флюсом / И.И. Фрумин II Автоматическая сварка. - 1957. - № 6. - С. 3 - 18.
5. 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.
6. Фрумин И.И. Технология механизированной наплавки / И.И. Фрумин, Ю.А. Юзвенко, E.H. Лейначук - М.: Высшая школа, 1965. - 306 с.
7. Макара A.M. Процесс плавления основного металла при автосварке под флюсом / А.М.Макара II Сборник трудов по автоматической сварке под флюсом. - К.: АН УССР, 1948, Т.1.-С. 47-94.
8. Макара A.M. Автосварка под флюсом малоуглеродистой стали больших толщин /
A.M. Макара II Сборник трудов по автоматической сварке под флюсом. - К.: АН УССР, 1948. - Т.1. - С. 129- 153.
9. Гребелъник П.Г. Ренгеноисследование процесса автоматической сварки под флюсом / П.Г. Гребелъник II Автоматическая сварка. - 1950. - № 6 - С. 18 - 29.
10. ЛесковГ.И. Электрическая сварочная дугаIГ.И. Лесков. - М.: Машиностроение. - 1970. - 336 с.
11. Кузьменко В.Г. Особенности плавления и отвердевания флюса при дуговой сварке /
B.Г. Кузьменко II Сварочное производство. - 1999. - № 10. - С. 16 - 22.
12. Кузьменко В.Г. О сплошности шлаковой оболочки при сварке под флюсом / В.Г. Кузьменко II Автоматическая сварка. - 1998. - № 3. - С. 14 - 19.
13. Бадьянов Б.Н. О новой схеме процесса дуговой сварки под флюсом / Б.Н. Бадьянов II Сварочное производство. - 1999. -№11. - С. 8-11.
14. Гулаков C.B. О схеме плавления флюса и основного металла при дуговой сварке /
C.B. Гулаков, A.B. Ярыза-Стеценко, И.С. Псарева II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мариуполь, 2005. - Вип. 15. - С. 125 - 129.
15. Лейначук ЕЖ Расход флюса при автосварке в зависимости от его марки и гранулометрического состава / E.H. Лейначук II Автоматическая сварка. - 1950. - № 3 - С. 29 - 33.
Рецензент: В.В. Чигарев д-р техн. наук, проф., ПДГУ
Статья поступила 20.02.2008
