Файл: Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью.pdf

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