РАЗДЕЛ 2
Гидродинамические процессы в сварочНой ванне Определяющие глубину проплавления
стыка
Сварочная ванна является важным промежуточным продуктом процесса сварки. Её
размеры, положение в пространстве, время существования, температурное поле, а
также перемещение, как целого объекта, так и движение жидкости внутри нее,
процессы кристаллизации определяют качество швов, производительность сварки и
энергозатраты.
Экспериментальные и теоретические исследования факторов, определяющих процессы
в ванне, можно разделить на две группы:
1?–?работы, описывающие металлургические явления в ванне и её кристаллизацию,
которые определяют, главным образом, качество металла шва;
2?–?работы, посвящённые изучению явлений, которые влияют на геометрию, и,
прежде всего, на глубину проплавления h и, соответственно, на
производительность сварки [63].
Исследования факторов первой группы привели к созданию высококачественных
сварочных материалов: сплошных и порошковых проволок, флюсов и обмазок
электродов, защитных газов, а также определению условий их применения. При этом
в большинстве случаев получены швы со свойствами близкими к свойствам основного
металла. Эти исследования обобщены в монографиях [2, 89, 104, 115].
Известно [2], что глубина проплавления растёт пропорционально току дуги и,
следовательно, её мощности. Однако при этом увеличивается ширина шва и, как
следствие, происходит неблагоприятный перегрев околошовной зоны. Увеличение
скорости сварки при всех её способах выше vсв=0,02 м/с [82] приводит к росту
усиления шва, возникновению подрезов и несплавлений.
Как показано в первом разделе, при импульсном воздействии на ванну с
“резонансной” частотой достигается увеличение глубины проплавления без
повышения мощности дуги. Однако физический механизм такого углубления и
оптимальные условия его осуществления не изучены. Необходимы обоснованные
представления о силах, воздействующих на ванну, их происхождении и последствиях
такого воздействия в различных условиях.
Существующие на сегодняшний день представления о ванне [2, 61, 115, 148] не
могут быть основой для анализа этих процессов, так как они не проанализированы
на основе законов гидродинамики и распределения мощности дуги. Поэтому возникла
необходимость построения модели ванны, свободной от этого недостатка, опираясь
на известные достоверные экспериментальные исследования, законы газо–, гидро– и
электродинамики.
2.1. Квазистатическая модель сварочной ванны
Известно, что сварочная ванна является областью свариваемого металла, которая
ограничена мгновенной изотермической поверхностью температуры плавления [101].
Её основные параметры такие как: длина l, ширина b, глубина проплавления h и
высота валика hв определяют прямыми измерениями. Из трех геометрических
характеристик ванны – длины, ширины и глубины – подробно изучены только первые
две [87, 101]. Как известно [34], длина ванны пропорциональна мощности дуги
Pд:
,
где k?–?коэффициент пропорциональности.
В настоящее время, накопленные экспериментальные данные и выдвинутые гипотезы о
гидродинамических процессах в сварочной ванне, в большинстве случаев,
обобщаются в виде ее квазистатической модели, в основу которой положено
представление об осевой симметрии в ней тепловых, механических и
электромагнитных воздействий на жидкий металл [61, 115, 148]. При этом полагают
что, активное пятно дуги расположено на дне кратера (рис. 2.1.).
Рис. 2.1. Квазистатическая модель сварочной ванны при сварке погруженной дугой:
1 – электрод; 2 – передняя стенка кратера; 3 – жидкий метал; 4 –
кристаллизирующийся слой.
Осью симметрии в такой модели считается ось электрода. Ось столба дуги, являясь
её продолжением, пересекается с нижней частью кратера в ванне. Давление дуги,
создаваемое потоками заряженных частиц, паров металла с торца проволочного
электрода, струй газа, образующихся при диссоциации сварочных материалов,
плазмы, ускоренной силами, возникающими в ванне при растекании тока в ней
[61, 115, 148], считается распределенным в пространстве вокруг этой оси по
законам нормальнокругового или эллиптического распределения [42]:
(2.1)
где k?–?коэффициент сосредоточенности.
Устойчивое состояние сварочной ванны определяется равенством:
где pд?–?давление дуги;
pм?–?металлостатическое давление жидкого металла () [88].
Наиболее полно в этой модели рассмотрены электромагнитные силы, вызывающие
давление pд при осесимметричном растекании тока дуги в ванне [61].
Процессы плавления передней стенки кратера и силы, вызывающие движение жидкого
металла по ней в зону наиболее высокого давления дуги pд, пока не
проанализированы на основе законов гидродинамики и распределения мощности дуги.
Считается, что плавление этой стенки производится излучением столба дуги, а
энергия наиболее высокой концентрации, выделяющаяся в активном пятне на дне
кратера, не вызывает углубления последнего. Этот парадокс объясняется наличием
под пятном слоя жидкого металла толщиной дж с низкой теплопроводностью. Однако
известно, что скорость плавления проволочного электрода над его активным пятном
не зависит от толщины жидкой прослойки [90]. Осевая симметрия давлений должна
бы вызывать движение жидкого металла по всем направлениям, в том числе по
передней стенке кратера вверх. Наблюдаемое же движение жидкого металла по ней
ко дну кратера с предполагаемым максимальным давлением в нём требует введения в
эту гипотезу источника более высокого давления на передней стенке. Однако это
полностью исключает представление об осевой симметрии сил и давлений в ванне.
Также противоречит опыту и представление об источнике энергии, вызывающем
плавление пере