УДК 621.791.754:51-74

 

И.В. Пентегов, д-р техн. наук

С.В. Рымар, д-р техн. наук

В.Н. Сидорец, д-р техн. наук

А.М. Жерносеков, канд. техн. наук

Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, г. Киев, Украина

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАСПЛАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ДУГОВОЙ СВАРКИ

І.В. Пентегов, д-р техн. наук

С.В. Римар, д-р техн. наук

В.М. Сидорець, д-р техн. наук

А.М. Жерносєков, канд. техн. наук

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ, Україна

ЕФЕКТИВНІСТЬ РОЗПЛАВЛЕННЯ ЕЛЕКТРОДА ПРИ РІЗНИХ ВИДАХ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ

Igor Pentegov, Doctor of Technical Sciences

Sergey Rymar, Doctor of Technical Sciences

Vladimir Sydorets, Doctor of Technical Sciences

Anatolii Zhernosiekov, PhD in Technical Sciences

The E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine

EFFICIENCY OF ELECTRODE MELTING IN DIFFERENT TYPES
OF THE ARC WELDING

Определены технологическая и энергетическая эффективности процесса плавления электрода при различных видах дуговой сварки сталей. Соосный упорядоченный отрыв капли расплавленного металла электрода без значительных возмущений, уменьшение теплоотвода с поверхности капли и электрода, подогрев электрода сварочным током повышают технологическую и энергетическую эффективности процесса сварки.

Ключевые слова: дуговая сварка, сталь, скорость плавления, сварочный электрод, коэффициент расплавления, эффективность расплавления.

Визначені технологічна та енергетична ефективності процесу плавлення зварювального електрода при різних видах дугового зварювання сталей. Співвісний упорядкований відрив краплі розплавленого металу електрода без значних збурень, зменшення тепловідводу з поверхні краплі та електрода, підігрів електрода зварювальним струмом підвищують технологічну та енергетичну ефективності процесу зварювання.

Ключові слова: дугове зварювання, сталь, швидкість плавлення, зварювальний електрод, коефіцієнт розплавлювання, ефективність розплавлювання.

Technological and energy efficiency of the melting process of the electrode in different types of arc welding of steels have been defined. Coaxial orderly separation droplets of molten metal electrode without significant perturbation, reduction of heat removal from the surface of the drop and the electrode, heating of the electrode by welding current increase the technological and energy efficiency of the welding process.

Key wards: arc welding, steel, melting rate, welding electrode, melting factor, melting efficiency.

Постановка проблемы. Определение технологической и энергетической эффектив­ности процесса плавления сварочного электрода при различных видах дуговой сварки сталей было и остается актуальной задачей. Статья продолжает исследования, начатые авторами в работах [1–4], которые посвящены выявлению основных факторов, влияющих на плавление сварочного электрода при дуговой сварке сталей, а также учету этих факторов при определении массовой скорости плавления электрода и коэффициента его расплавления.

Анализ последних исследований и публикаций. Вопросам плавления электрода при дуговой сварке сталей посвящено много работ, в частности работы [5–7], анализ которых проведен авторами в работах [1–4].

Выделение не решенных ранее частей общей проблемы. В опубликованных авторами работах не затрагивались вопросы эффективности процесса плавления сварочного электрода при различных видах дуговой сварки сталей.

Целью статьи является исследование технологической и энергетической эффективности процесса плавления сварочного электрода при различных видах дуговой сварки сталей.

Скорость плавления сварочного электрода и ее аппроксимации. Зависимость массовой скорости плавления сварочного электрода G_p (производительности плавления) обычно полагается прямо пропорциональной току сварки I_sv [5–7]:

G_p = α_pI_sv, (1)

где α_p – коэффициент расплавления электрода.

С развитием сварочных технологий и источников питания сварочной дуги, позволяющих обеспечить регулировку сварочного тока в широких пределах, зависимость (1) не во всех случаях позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с опытом, особенно при малых и больших значениях сварочного тока. Коэффициент α_p, сам сложным образом зависит от многих факторов: тока сварки, его вида и полярности, наличия или отсутствия коротких замыканий, кратности тока короткого замыкания источника питания, длительности непрерывного интервала сварки, наличия импульсов тока, режима сварки, окружающей среды, положения электрода в пространстве и др. [1–4].

Массовая скорость плавления электрода определяется из баланса мощностей и может быть записана в виде:

. (2)

Здесь P_p – активная мощность, передаваемая от дуги в каплю расплавленного металла и электрод для его расплавления, P_p = U_eqvI_sv, где U_eqv – эквивалентное напряжение дуги [3]; P_a – активная мощность, расходуемая на нагрев электрода при прохождении по нему сварочного тока, P_a = RI_sv², где R – активное сопротивление электрода; P_k,izl – мощность, рассеиваемая с поверхности капли и электрода в окружающую среду конвекцией и излучением; q – удельные затраты тепла на нагрев и расплавление электродного металла, Дж/кг (см. формулу (16) работы [3]).

Тогда с учетом формулы (1) коэффициент α_p равен:

. (3)

Представим коэффициент расплавления электрода в виде аппроксимации:

α_p = a₀ + a₁I_sv – a₂/I_sv, (4)

в которой коэффициенты равны: a₀ = U_eq/q; a₁ = R/q; a₂ = P_k,izl/q.

При такой аппроксимации зависимость массовой скорости плавления электрода от сварочного тока примет вид:

G_p = a₀I_sv + a₁I_sv² – a₂. (5)

В правой части формул (4) и (5) первое слагаемое обусловлено мощностью, передаваемой от дуги в каплю расплавленного металла и электрод, второе слагаемое – мощностью, расходуемой на нагрев электрода проходящим током, третье слагаемое – мощностью, рассеиваемой с поверхности капли и электрода в окружающую среду конвекцией и излучением.

Формулы (4) и (5) позволяют произвести анализ и оценить уровень значений величин α_p и G_p при различных видах сварки.

При подводной сварке покрытым электродом происходит интенсивный отвод тепла с его поверхности водой, поэтому коэффициент a₂ будет очень большой. Это приводит к значительному уменьшению коэффициента расплавления электрода α_p и массовой скорости его плавления G_p, делая их значения наименьшими среди всех видов сварки. В связи с этим сварочный процесс при малых токах идти не может, так как отвод тепла водой настоль­ко велик, что вкладываемой мощности может не хватить на поддержание плавления металла. Эта одна из причин, по которой при подводной сварке [4] необходимо обеспечивать больший уровень тока, по сравнению со сваркой покрытым электродом в атмосфере [2; 3].

При сварке покрытым электродом в атмосфере, по сравнению с подводной сваркой, коэффициент a₂ уменьшается, и значения α_p и G_p возрастают.

Еще большие значения α_p и G_p наблюдаются при автоматической и механизированной сварке в среде защитных газов электродной проволокой, когда вылет электрода из мундштука, вследствие движения проволоки не успевает перегреваться, при этом снижаются потери на конвекцию и излучение с поверхности электрода и уменьшается значение коэффициента a₂.

Наибольших значений величины α_p и G_p достигают при импульсно-дуговой автоматической сварке в среде защитных газов, когда капли расплавленного металла переносятся в режиме «один импульс – одна капля» [8] (в английской версии One Pulse – One Drop). Во время паузы тока электрод практически не нагревается, время пребывания электрода и капли под сварочным током сокращается. При этом происходит резкое уменьшение потерь на конвекцию и излучение с поверхности капли расплавленного металла, сразу переносимой в сварочную ванну, и значение коэффициента a₂ оказывается пренебрежимо мало.

При автоматической и механизированной сварке в среде защитных газов электродной проволокой для приближенных расчетов можно полагать коэффициент a₂ = 0. При этом формула (4) хорошо согласуется с аппроксимацией, предложенной в работе [9].

Эффективность процесса плавления. Чтобы определить эффективность процесса плавления электрода запишем формулу для коэффициента полезного действия (КПД):

. (6)

Здесь для процесса плавления электрода мощности P_p и P_a являются полезными, способствующими его плавлению, а P_k,izl – мощностью потерь.

Анализируя формулу (6), можно заключить, что наименьшее значение КПД будет наблюдаться при подводной сварке покрытым электродом, когда с электрода осуществляется интенсивный отвод тепла водой и мощность, рассеиваемая с поверхности электрода в окружающую среду конвекцией и излучением P_k,izl будет велика.

При сварке покрытым электродом в воздухе, по сравнению с подводной сваркой, мощность P_k,izl будет уменьшаться, увеличивая значение КПД.

Еще большее увеличение КПД будет наблюдаться при автоматической и механизированной сварке в среде защитных газов электродной проволокой, когда вылет электрода малый, и вследствие движения, практически не нагревается, резко уменьшая тем самым величину P_k,izl.

Наибольшее значение КПД принимает при импульсно-дуговой автоматической сварке в среде защитных газов, когда капли расплавленного металла переносятся в режиме «один импульс – одна капля». В этом случае величина P_k,izl оказывается очень малой.

Формулу расчета КПД процесса плавления электрода можно записать в другом виде:

. (7)

Чем больше величина G_p, тем больше будет значение КПД. Чем большее значение принимает величина P_k,izl/(G_pq) = P_k,izl/(α_pI_svq), тем КПД становится меньше.

Анализ зависимостей. На рис. 1–3 приведены зависимости коэффициента расплавления α_p, массовой скорости плавления G_p и КПД процесса плавления η_pl покрытых электродов различных диаметров d_e от тока сварки I_sv и плотности тока в электроде J_sv в разные моменты времени сварки t_sv, полученные с применением формул из работы [3] при горизонтальном расположении покрытого электрода.

 

а б

Рис. 1. Зависимость коэффициента расплавления αp покрытого электрода от:
a – тока сварки Isv; б – плотности тока в электроде Jsv

а б

Рис. 2. Зависимость массовой скорости плавления Gp покрытого электрода от:
a – тока сварки Isv; б – плотности тока в электроде Jsv

а б

Рис. 3. Зависимость КПД процесса плавления ηpl покрытого электрода от:
a – тока сварки Isv; б – плотности тока в электроде Jsv

Коэффициент кратности тока короткого замыкания источника питания k_kz = 1,6, коэффициент, учитывающий долю времени короткого замыкания k_t,kz = 0,1, температура капли Т_kap = 2800 K. На рис. 3 для электрода d_e = 3 мм начальная длина электрода составляла 30 см, для электродов d_e = 4 и 5 мм начальная длина – 40 см.

На рис. 1, а и 2, а видно, что при меньшем диаметре электрода величины α_p и G_p имеют большие значения, чем при большем диаметре электрода, и возрастают с увеличением сварочного тока I_sv и времени сварки t_sv.

Из рассмотрения рис. 3, а можно заключить, что при меньших диаметрах электрода значения КПД процесса плавления электрода η_pl при одинаковых токах выше, чем при больших диаметрах. При рассматриваемых параметрах сварочного процесса для электродов диаметром 4 и 5 мм значения КПД возрастают с увеличением тока сварки I_sv, причем в ранние моменты времени сварки t_sv КПД больше, чем в более поздние моменты времени. Это связано с увеличением мощности, отводимой с поверхности электрода при его большем нагреве с течением времени сварки. При диаметре электрода 3 мм наибольшие значения КПД также наблюдаются при меньшем времени сварки – на 5-й секунде. Немного меньшие значения оказываются на 55-й секунде. Еще меньшие – на 25-й секунде. Причем на 5-й и 55-й секундах значения КПД возрастают с увеличением тока. На 25-й секунде сварки значения КПД с увеличением тока сначала возрастает, а потом убывает. Такое поведение кривой вызвано тем, что с увеличением тока происходит нагрев электрода, увеличивающий КПД, но при дальнейшем росте тока происходит более интенсивный отвод тепла с поверхности электрода и КПД начинает уменьшаться.

Из рис. 1, б – 3, б видно, что величины α_p, G_p и η_pl возрастают с увеличением плотности тока в электроде J_sv.

Таким образом, наилучшими технологическими параметрами α_p и G_p и наибольшим КПД η_pl характеризуются интенсивные процессы сварки с большими плотностями тока в электроде.

На рис. 4–6 приведены зависимости коэффициента расплавления α_p, массовой скорости плавления G_p и КПД процесса плавления η_pl покрытых электродов различных диаметров от времени сварки t_sv при разных токах сварки I_sv.

Видно, что коэффициент расплавления электрода α_p при меньшем диаметре электрода имеет большие значения, чем при большем диаметре электрода, и возрастает с увеличением тока и времени сварки.

Рис. 4. Зависимость коэффициента расплавления αp покрытого электрода от времени сварки tsv	Рис. 5. Зависимость массовой скорости плавления Gp покрытого электрода от времени сварки tsv

Поведение зависимостей массовой скорости плавления электрода G_p сложным образом зависит от диаметра электрода, времени сварки и тока сварки. Так, при диаметре электрода 3 мм и токе 70 А значения G_p больше, чем при диаметре электрода 4 мм и токе 85 А, и еще боль­ше, чем при диаметре электрода 5 мм и токе 100 А. Напротив, при больших токах сварки большие значения величины G_p наблюдаются при больших диаметрах электрода и больших токах. При этом во всех случаях, с течением времени, значения G_p увеличиваются.

При диаметре электрода 3 мм и токе сварки 70 А значения КПД выше, чем при диаметре электрода 4 мм и токе сварки 85 А, и еще выше, чем при диаметре электрода 5 мм и токе сварки 100 А. Еще большие значения КПД наблюдаются при диаметре электрода 3 мм и токе сварки 100 А, где они выше также значения КПД при диаметре электрода 4 мм и токе сварки 150 А, и еще выше, чем при диаметре электрода 5 мм и токе сварки 210 А.

Более сложная картина наблюдается при диаметре электрода 3 мм и токе сварки 120 А значения КПД в начальный период сварки оказываются выше, чем при диаметре электрода 4 мм и токе сварки 200 А, и еще выше, чем при диаметре электрода 5 мм и токе сварки 280 А, однако, с течением времени (с 18 секунды сварки), значения КПД для электрода диаметром 3 мм оказываются ниже значений КПД для электродов диаметром 4 и 5 мм, а для электрода диаметром 4 мм – меньше, чем для электрода диаметром 5 мм.

Для всех зависимостей КПД (рис. 6) с течением времени сварки характерно сначала уменьшение значений КПД процесса расплавления электрода, а затем их увеличение. Это связано с тем, что по мере нагрева электрода проходящим током и интенсивным отводом тепловой мощности в окружающую среду КПД уменьшается. По мере расплавления электрода уменьшается его длина, а соответственно и площадь его охлаждения, уменьшается доля отводимой в окружающую среду тепловой мощности, и КПД процесса расплавления увеличивается.

Таким образом, полученные формулы позволяют анализировать поведение зависимостей коэффициента расплавления α_p электрода, массовой скорости его плавления G_p и КПД процесса плавления η_pl покрытого электрода.

Приведем здесь так же формулу для определения КПД процесса сварки η_sv, которое отличается от КПД процесса плавления электрода. Для этого к мощности P_k,izl в выражениях (6) и (7) необходимо добавить потери на испарение расплавленного металла P_:

. (8)

Потери P_ определяются путем умножения величины G_p на второе слагаемое правой части выражения (16) работы [3]:

, (9)

где  – коэффициент, учитывающий долю испаряемого электродного металла в процессе сварки; C_p – удельная теплоемкость стали, являющаяся функцией температуры электрода θ; T₀ – температура нагрева электрода; T_dug – температура дуги; λ_Ai – удельные теплоты фазовых превращений железа; r – удельная теплота испарения железа. Заметим, что в выражении (8) отношение P_/(G_pq), согласно формуле (9), не зависит от величины G_p.

Визуальное наблюдение переноса металла. Процесс плавления электрода, образование капли расплавленного металла и ее поведение можно определить скоростной киносъемкой или осциллографированием напряжения и тока на дуге.

Для иллюстрации приведем фотографии скоростной киносъемки процесса плавления сварочного электрода при некоторых видах сварки, на которых видно образование капли расплавленного металла электрода, ее размер относительно электродной проволоки, поведение капли перед отрывом от электрода и ее перенос в сварочную ванну. Чем больше размер капли и чем дольше происходит ее отрыв, тем меньше КПД процесса плавления электрода из-за большого рассеяния тепловой энергии с капли в окружающую среду.

Рис. 7. Процесс переноса металла при импульсно-дуговой сварке в среде защитных газов «один импульс – одна капля» на обратной полярности [11]

Рис. 8. Процесс переноса металла при сварке в среде защитных газов постоянным током
на обратной полярности [12]

Рис. 9. Процесс переноса металла при импульсно-дуговой сварке в среде защитных газов
с произвольными параметрами на обратной полярности [13]

Рис. 10. Процесс переноса металла при дуговой сварке покрытым электродом [14]

Рис. 11. Процесс переноса металла при дуговой сварке расположенным вертикально покрытым
электродом [15]

С точки зрения повышения коэффициента расплавления электродного металла и КПД процесса плавления электрода очень хорошо зарекомендовала себя импульсно-дуговая сварка, особенно процесс «один импульс – одна капля». При этом процесс переноса металла электрода идет спокойно без возмущений [11], капли расплавленного металла близки по размеру, имеют малый диаметр, равный диаметру электрода, они не деформируются и рассеяние тепловой энергии с них минимально (рис. 7). Особенно это заметно при сравнении со сваркой [12] (рис. 8) и импульсно-дуговой сваркой с произвольными параметрами [13] (рис. 9). На постоянном токе наблюдается медленный отрыв капли, ее деформирование, диаметр капли больше диаметра электрода, из-за чего рассеяние тепловой энергии с них велико, что уменьшает КПД процесса плавления электрода. На указанных рисунках приведены процессы при дуговой сварке проволокой на обратной полярности в среде защитных газов.

Подобные процессы переноса металла наблюдаются и при дуговой сварке покрытым электродом (рис. 10 и 11) [14; 15].

Дальнейшие исследования плавления электрода при различных видах сварки должны быть посвящены более углубленному исследованию этих процессов.

Выводы и предложения. Полученные формулы для технологической и энергетической эффективности процесса плавления сварочного электрода при различных видах дуговой сварки сталей позволяют анализировать поведение зависимостей коэффициента расплавления электрода, массовой скорости его плавления и коэффициента полезного действия процесса плавления электрода. Процесс сварки с соосным упорядоченным отрывом капли расплавленного металла электрода, уменьшение теплоотвода с поверхности капли и электрода, подогрев электрода проходящим током повышает технологическую и энергетическую эффективность сварочного процесса. Наибольшим коэффициентом полезного действия и наилучшими технологическими параметрами (коэффициентом расплавления и массовой скоростью плавления) характ