VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Для выявления особенностей движения жидкого металла сварочной ванны при импульсно-дуговой сварке в углекислом газе плавящимся электродом, в первую очередь, необходимо рассмотреть в совокупности процессы плавления электродного металла, переноса капли в сварочную ванну и поведение расплава сварочной ванны.

Кадры кинограмм плавления, переноса электродного металла и движения жидкого металла сварочной ванны при импульсно-дуговой сварке в углекислом газе плавящимся электродом представлены на рисунке 1. Во время паузы сварочный ток находится в пределах 10-50 А, поэтому на поверхность сварочной ванны воздействует сварочная дуга, площадь и сила давления которой не велики. В результате поверхность сварочной ванны имеет небольшое углубление под дугой. В дальнейшем при нарастании сварочного тока столб дуги расширяется. Перенос капель расплавленного электродного металла с торца электрода в сварочную ванну осуществляется при наложении на дугу мощных импульсов тока, во время которых происходит расширение столба дуги. Это вызывает появление осевой составляющей электродинамической силы, которая, втягивая каплю с торца электрода в сварочную дугу, способствует отрыву капли и соосному переходу ее в сварочную ванну. С увеличением сварочного тока возрастает воздействие сварочной дуги на поверхность сварочной ванны. Жидкий металл сварочной ванны, вытесняясь из-под дуги, начинает движение в хвостовую часть ванны.

Рис. 1. Осциллограмма и кинограммы процесса плавления, переноса электродного металла и движения жидкого металла сварочной ванны при импульсно-дуговой сварке в углекислом газе в нижнем положении (скорость съемки 2980 кадр/сек): t1 – начало импульса; t2 – момент отрыва капли электродного металла; t3 – касание капли сварочной ванны; t4 – начало паузы

В переднюю часть сварочной ванны поток расплавленного металла или значительно снижается, или совсем прекращается. При небольших размерах головной части расширяющийся столб дуги захватывает почти всю фронтальную часть сварочной ванны. Столб дуги расширяется, и происходит его углубление в сварочную ванну. Центр капли практически не перемещается. Дуга при расширении захватывает нижнюю часть капли. При этом длина дуги в верхней части изменяется на 1-2мм или ½ диаметра капли электродного металла. Далее капля немного деформируется, оттесняясь вверх по электроду.

График перемещения точек поверхности сварочной ванны относительно начальных координат с течением времени в импульсе (на интервале времени t₁-t₂) приведен на рисунке 2. Из-под дуги движется волна в хвостовую часть, наибольший подъем который (до 0,6 мм) наблюдается на расстоянии от электрода 1,25 мм и 2,5 мм. По мере удаления волны в хвостовую часть скорость движения замедляется. С нарастанием импульса и появлением волны из-под дуги возникает подъем сварочной ванны в хвостовой части на протяженности 8,75 мм от центра через 1 мс. Наибольшее углубление (видимое) наблюдается под дугой. По мере увеличения силы тока и соответственно диаметра столба дуги жидкий металл вытесняется в головную и хвостовую части, и через 1 мс наибольший подъем наблюдается на расстояние 1,25 мм. Чем дальше от электрода, тем в большей степени проявляется углубление после прохождения волны и возврата её в исходное положение.

Рис. 2. Перемещение поверхности сварочной ванны в хвостовой части относительно начальных координат

В головной части сварочной ванны наблюдается также движение поверхности, которое представлено графически на рисунке 3.

Рис. 3. Перемещение поверхности сварочной ванны в головной части относительно начальных координат

Наибольший подъем в головной части наблюдается на расстоянии 2,5 мм от электрода. Перемещение поверхности под дугой и на расстоянии 1,25 мм в головной части практически идентичны движению на данном расстоянии в хвостовой части. При дальнейшем удалении от электрода до начала головной части сварочной ванны наблюдаются колебания поверхности примерно одинаковой частоты и амплитуды с небольшим усилением к фронтальной части сварочной ванны. Через 1 мс видно уменьшение уровня сварочной ванны, синхронное с частотой колебания сварочной ванны в головной части.

Графики перемещения точек поверхности сварочной ванны в хвостовой части относительно начальных координат на интервале отрыва капли t₂-t₃ представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Перемещение поверхности сварочной ванны в хвостовой части относительно начальных координат

Наибольшее перемещение наблюдается на расстоянии от 3мм до 5мм от электрода. После времени 1,5 мс видно повышение уровня жидкого металла сварочной ванны, вследствие контакта капли электродного металла с поверхностью сварочной ванны. После времени 2,5 мс происходит повышение общего уровня сварочной ванны, связанное с уменьшением сварочного тока (на спаде импульса).

Движение металла в головной части представлено графически на рисунке 5. Перемещение точек поверхности сварочной ванны не велико и не превышает в среднем 0,5 мм.

Рис. 5. Перемещение поверхности сварочной ванны в головной части относительно начальных координат на интервале t3-t4

На интервале паузы, который занимает значительно большее время в сравнении с двумя рассмотренными ранее этапами, видимое движение сварочной ванны (над плоскостью металла) проходит намного интенсивнее. Жидкий металл из хвостовой части обратной волной возвращается под дугу, часть металла под действием сил инерции перемещается в головную часть, где количество расплавленного металла возрастает до максимального значения. Горб, образованный в головной части спадает. Одновременно с этим происходит колебание с большей частотой (примерно в 3 раза) в хвостовой части.

Перемещение точек поверхности сварочной ванны в хвостовой части относительно начальных координат на интервале паузы представлено на рисунке 6.

Рис. 6. Перемещение поверхности сварочной ванны в хвостовой части относительно начальных координат на интервале времени t4-t1

Движение металла в хвостовой части носит периодический характер, совпадающий по времени с началом колебаний. Суммарное перемещение точки относительно начальной координаты не превышает 1 мм. Наибольшее колебание наблюдается на расстоянии от 3 мм до 5 мм, что соответствует центру хвостовой части сварочной ванны в паузе. Большая периодичность движения жидкого металла вызвана меньшим углом фронта кристаллизации и большей протяженностью хвостовой части.

Наибольшее перемещение наблюдается возле фронта головной части сварочной ванны. Амплитуда колебаний достигает в видимой части 2 мм. Следует отметить, что при 2 мс и 8 мс направления движения поверхности в головной и хвостовой частях совпадают.

В паузе после возвращения жидкого металла из хвостовой части колебания поверхности направляются от краев к центру и затем – обратно.

Вывод.

Жидкий металл сварочной ванны при импульсно-дуговой сварке в углекислом газе плавящимся электродом совершает колебательные движения. Частота колебаний ванны зависит от частоты накладываемых импульсов, а амплитуда колебания – от длительности и амплитуды импульса. Поведение ванны носит более определенный характер, а именно жидкий металл совершает замкнутое вращательное движение, которое можно описать следующим образом:

- из-под столба дуги вдоль плоскости кристаллизации (вдоль фронта кристаллизации) (по дну сварочной ванны) перемешиваясь с основным металлом и кристаллизуясь (отдельным слоем), часть металла возвращается по поверхности сварочной ванны;

- вдоль зоны расплавления и возвращаясь под столб дуги;

- во время действия импульса из-под дуги на кромки и в паузе обратно под столб дуги.

Код для цитирования: Скопировать