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

мента прутки расплавляли в косвенном пламени дуги, горящей между угольными электродами: один конец прутка опускали в пламя дуги и падающие капли соби­ рали в воду. Получены следующие результаты.

Эти данные показывают, что диаметр стальных ка­ пель может достигать величины порядка 10 мм. Для определения зависимости диаметра капли от диаметра электрода при расплавлении его в сварочной дуге сталь­ ные прутки, покрытые мелом, расплавляли при силе то­ ка, определяемой по уравнению.

/ = 50d3.

Расплавление электродов производили на обычной установке для сбора капель [5]. Получены следующие результаты.

Из приведенных данных видно, что в сварочной дуге наблюдается нормальное соотношение между диаметром прутка и капли и имеется возможность получать капли предельного размера. Однако количество капель пре­ дельного размера очень мало. Обычно образуются кап­ ли в 1,5—2 раза меньшего диаметра по сравнению с мак­ симально возможным. Такое явление можно объяснить тем, что увеличение диаметра электрода требует более мощной дуги. Это способствовало повышению темпера­ туры металла капель и испарению. Поверхностное натя­ жение уменьшалось, и образовывались более . мелкие капли. Уменьшение размера капель в дуге наблюдалось неоднократно [4, 7].

Следует отметить еще одну особенность этого явле­ ния — капли, собираемые в воду, внутри имели полость. Это результат как литейной и термической усадок, так и обильного выделения газов. Размер полости тем больше,.

27

чем больше диаметр капли. Газы, выделяющиеся внутри капли, могут выходить взрывообразно и разрывать кап­ лю, являясь одной из причин размельчения ее, увеличе­ ния разбрызгивания.

Поверхностное натяжение жидкости и размер капель

Из уравнения (20) видно, что при изменении величины поверхностного натяжения соответственно изменяется и

при заданной температуре Т и нормальной Т0\ do/dT — температурный коэффициент поверхностного натяжения. Для большинства жидкостей do/dT<0, т. е. поверхност­ ное натяжение уменьшается с повышением температуры, но для некоторых жидкостей, в том числе и для железа

(стали), da/dT>0.

Влияние температуры на размер переходящих ка­ пель исследовалось на водяной модели. На конце труб­ ки образовывали висящую каплю, которую с нижней ча­ сти подогревали накаленной спиралью. Температуру нагрева контролировали термометром, ртутный шарик которого располагали на том же расстоянии от нагретой спирали, что и каплю. Нагрев капли снизу вызывал свое­

уменьшении диаметра. Переход капли происходит свое­ образно: обычной шейки не образуется, а нижняя часть ее вытягивается, принимая коническую форму. В опре­ деленный момент внизу капли (в точке наибольшего на­ грева) как бы открывалось «отверстие», и жидкость вы­ текала через пего. При этом вес и общий размер падаю­ щей капли заметно снижались.

28

Если считать, что железо (сталь) имеет положитель­ ный коэффициент поверхностного натяжения [20 и др.], то повышение температуры металла будет сопровож­ даться увеличением поверхностного натяжения. Вследст­ вие этого капля примет грушеобразную форму, что иногда наблюдается [7]. Однако Г. И. Лесков [10] счи­ тает, что грушеобразность капли может произойти изза реактивного давления потока паров с активного

•пятна. С другой стороны, наличие активного пятна, повы­ шая температуру металла, способствует усилению паро­ образования. Поверхностное натяжение снижается, кап­ ли образуются более мелкие [4].

2. П а р ы ж и д к о с т и. Пары того же вещества, что и капли, снижают поверхностное натяжение жидко­ сти тем больше, чем выше насыщено ими пространство вокруг капель. Это очень важно для сварочного пламени,

парах эфира выявили во всех случаях одинаковую кар­ тину: по мере насыщения пространства, окружающего каплю парами, размер капли равномерно уменьшается (см. рис. 5, б) вплоть до мельчайших капелек, которые быстро покидали торец трубки. При известных условиях, по-видимому, можно создать очень частый струйный пе­ реход таких мелких капель. Наблюдающийся иногда струйный переход электродного металла при большой плотности тока на электроде напоминает подобное явле­ ние. Возможность струйного перехода электродного ме­ талла объясняется тем, что при большой плотности тока сильно повышается температура плазмы, вызывая интен­ сивное испарение металла электрода. Так как при данном режиме в единицу времени расплавляется постоянное ко­ личество металла, то мелких капель появляется больше, частота перехода их увеличивается, и они образуют «струю». Можно предположить, что наличие паров в сва­ рочном пламени является одной из причин невозмож­ ности образования капель предельного размера.

3. П о в е р х н о с т н о - а к т и в н ы е ве ще с т в а . Сни­ жая величину поверхностного натяжения, поверхностно­ активные вещества способствуют уменьшению размера переходящих капель. Наблюдения за каплями воды, в которую вводили поверхностно-активные вещества

29

(-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