Основой электродугового способа сварки металлов является сварочная дуга — длительный и устойчивый электрический разряд, сопровождающийся концентрированном выделением теплоты и характерным свечением.

Поскольку условия горения дуги в воде отличаются от условий ее горения на воздухе, т. е. в газовой среде, то и ее свойства соответственно изменяются. Аналогично и процесс сварки резко отличается от того, который обычн9 наблюдается при сварке на воздухе

Сварка в водеUnderwater Welding School Part II

Наиболее характерные особенности дуги

  1. Дуга постоянно находится в непрерывно меняющемся парогазовом объеме так называемом «пузыре», который периодически растет до определенных критических размеров, обусловленных физико-химическими свойствами воды, в частности ее плотностью. Пузырь вокруг дуги, горящей под водой, наполнен выделяющимися при горении дуги газообразными продуктами сгорания металла электрода, изделия и минерального покрытия (в случае сварки штучными электродами), а также продуктами диссоциации воды, разлагающейся под воздействием дуги на водород и кислород. Парогазовый пузырь вокруг дуги под водой возникает еще до ее зажигания в результате тепловыделения от токов «утечки». Процесс этот особенно нагляден при выполнении сварочных работ в соленой воде.Газы и пары металлов, минеральных солей (при сварке покрытыми электродами) и воды находятся в состоянии непрерывного взаимодействия, причем эти реакции имеют обратимый характер. С повышением температуры по мере приближения к центру пузыря происходит ионизация атомов. Процессы ионизации и рекомбинации в пузыре также имеют обратимый характер. Из этого следует, что дуга сама создает условия для своего 6 существования, чем и обеспечивается стабильное горение дуги под водой.
  2. Внутренний объем парогазового пузыря возникает одно* временно с созданием в нем противодавления гидростатическому давлению, причем это противодавление прямо пропорционально глубине погружения дуги в воду.
  3. Наличие в газовой фазе парогазового пузыря таких компонентов, как атомарный[ водород, вызывает охлаждение наружных участков столба дуги и ее сжатие, чему также способствуют сильная подвижность пузыря и периодическая потеря им устойчивости, сопровождающаяся выбросом газа, когда пузырь вокруг дуги под водой достигает своих критических размеров.
Screenshot_14

Рис. 1. Примерная схема парогазовых потоков в пузыре вокруг дуги под водой: 1 — аэрозоль продуктов сгорания металла; 2 — вода; 3 — наконечник головки; 4 — парогазовый пузырь; 5—наплавленный металл; б — сварочная дуга; 7—пластина; стрелками показано направление движения потоков

Парогазовый пузырь вокруг дуги. Как показали исследования, выполненные при помощи скоростной рентгенокиносъемки, полная смена содержимого парогазового пузыря при сварке штучными электродами происходит 9—10 раз в секунду, а при сварке тонкой проволокой— даже 11 — 12 раз в секунду. При разрушении пузыря основная масса газов (до 90% объема) всплывает, а остатки пузыря, несколько уменьшаясь в объеме, служат основой для развития нового пузыря до его критических размеров. Аналогичный процесс наблюдал и американский исследователь Е. А. Сильва, который сообщил, что всплывающий пузырь по объему составляет не менее того, который остается в виде зародыша для последующего цикла.

Нашими исследователями было установлено, что критические размеры пузыря не зависят от способа сварки; они зависят только от внешних условий и физико-химических особенностей той конкретной среды, в которой происходит горение дуги.

Screenshot_9

Парогазовые потоки, возникающие в пузыре, совершают конвективное движение, что можно было наблюдать по поведению капель расплавленного металла при переходе их с. электрода в сварочную ванну. В целом можно с достаточной достоверностью утверждать, что внутри парогазового пузыря, вокруг дуги под водой имеет место конвективное движение его содержимого, направленное от периферии к центру (рис. 4).

Состав парогазовой среды пузыря значительно влияет на-металлургические процессы в ванне и на энергетические характеристики дуги. По данным А. И. Шлямина, он представляет собой смесь газов, содержащую: водорода 69—73%; кислорода 1—2,3%; углекислого газа 2,8—4,3%; окиси углерода 14—24% и прочих элементов 2,8—5,2% (состав усреднен для глубины погружения 10—60 м при сварке электродами с покрытием ЭПС-5).

По данным В. Н. Кемпа,. (США), содержимое пузыря при сварке штучными электродами составляет 62—82% Н2> 11—24% СО, 4—6% С02 при незначительных количествах азота, кислорода и паров металлов.

Screenshot_15

Горение дуги. Для лучшего понимания явлений, происходящих в дуге, и ознакомления с ее свойствами рассмотрим схему горения дуги при сварке штучными электродами (рис. 5). В ней в отличие от обычной схемы горения дуги при сборке на воздухе можно выделить наличие трех дополнительных элементов: облака аэрозоля 1 (черно-коричневой мути) , плавающего над местом сварки (достаточно устойчивого, малоподвижного и плохо рассасывающегося), пузырьков газа. 2, образующихся при прорыве и разрушении парогазового пузыря, и металлических брызг и самого парогазового пузыря 10.

Screenshot_24

Долгое время состав облака аэрозоля был неизвестен, и предполагалось, что это плавающие дисперсные частицы окислов металла. По данным Е. А. Сильвы (США), исследовавшего твердый остаток этого облака, оно представляет собой взвесь мелкодисперсных частиц, в значительной своей части состоящей из гидроокиси железа (Ее20зХН20). Интересно отметить, что, по наблюдениям Е. А. Сильвы, состав мути не зависит от марки электрода и является результатом нового соединения, образующегося во время сварки под водой. Отмечается также его кристаллическая природа, что подтвердил дифракционный рентгеновский анализ.

Геометрические размеры дуги. Диаметр столба дуги может быть с достаточной для практики точностью вычислен по. формуле, предложенной Т. И. Авиловым;

Screenshot_16

где dct — эффективный диаметр столба дуги в см; А —коэффициент, равный, по уточненным данным, 0,011 см/А; / — сила сварочного тока в А.

Как видно из приведенной формулы, диаметр столба дуги зависит от силы сварочного тока и колеблется в среднем при сварке штучными электродами в пределах 0,10—0,24 см (при силе тока 100—500 А). Примерно такой же диаметр столба дуги имеет м,есто и при сварке тонкой электродной проволокой.

Screenshot_17

Рис. 6. Вольтампериые характеристики дуги при сварке под водой: а — сварка проволокой Св-08Г2С (1,2 мм) открытой дугой без подачи Х02; б — сварка штучными электродами ЭПС-52 (4 мм); / — пресная вода; 2 — соленая вода (S=41.1 %0)

Screenshot_23

Как и у всех дуг с металлическим электродом, при сварке под водой катодное пятно дуги перемещается по торцу электрода и полностью оплавляет его. При использовании тонкой проволоки (диаметром 1,2—1,6 мм) или при работе на высоких режимах тока при сварке штучными электродами, катодное пятно может занимать весь торец электрода, а с увеличением нагрузки оно может испытывать так называемое «стеснение», т. е. сжатие ‘вследствие невозможности его дальнейшего расширения из-за ограниченности селения электрода. Благодаря этому, .а также вследствие воздействия охлаждающей среды (водорода и гидростатического давления столба жидкости) статическая вольт-амперная характеристика дуги под водой имеет характерную для сжатых дуг форму, очень похожую на вольт-амперную характеристику дуги, горящей под флюсом,— правая ветвь приподнята, причем точка перегиба (т. е. перехода от падающей к возрастающей ветви) приходится примерно на силу тока 180— 250 А (рис. 6).

Охлаждающее действие воды, повышенное давление, диссоциация воды и другие факторы вызывают в конечном счете необходимость затрачивать для поддержания горения дуги под водой большую мощность, чем это необходимо при сварке на воздухе. Имеют место также потери энергии, затрачиваемые на ионизацию дугового промежутка и обеспечение стабильного горения дуги в условиях парогазового’ непрерывно меняющегося пузыря. Все это приводит к тому, что напряжение дуги под водой выше, чем напряжение дуги при сварке на воздухе.

Напряжение и температура дуги. Напряжение дуги зависит от способа сварки, т. е. от энергетических характеристик процесса и условий его осуществления.

Сварка вручную штучными электродами                                                        30

Полуавтоматическая сварка тонкой электродной проволокой            40

 

Плазменно-дуговая сварка (по данным зарубежной печати)               45

Распределение напряжения в дуге не одинаково и тоже зависит не только от способа сварки, но также от силы тока, его полярности и длины дуги /д (точнее — длины столба дуги). Было установлено, что по мере увеличения длины дуги градиент потенциала ее столба растет. Это явление может быть объяснено тем, что с увеличением длины дугового промежутка доступ водорода в дугу возрастает и оказывает большее деионизирующее и охлаждающее влияние на ее столб. Значительное влияние на энергетические характеристики дуги оказывает соленость воды (табл. 1).

Screenshot_19

Несколько слов о температуре дуги, горящей в воде. Само по себе ее измерение весьма сложно. Непосредственно измерить температуру дуги под водой не удалось, и этот вопрос решен аналитически, на основании закона Стефана-Больцмана, связывающего температуру с энергетическими характеристиками дуги. В среднем температура столба дуги колеблется в пределах 9000—12 000 Д *в зависимости от силы тока и глубины погружения.

Следует иметь в виду, что температура дуги по ее длине не одинакова. По данным Г. И. Лескова, в приэлектродных (областях, где сказывается охлаждающее влияние электродов, температура дуги под водой составляет около 6400 К, поскольку температура кипения (испарения) электродов относительно невелика; например, для железных электродов она составляет всего 3013 К. В центре столба, где в дуговом газе преобладает водо^ род, температура дуги возрастает и, по данным того же исследователя, составляет примерно 10000 К. С глубиной погружения или с увеличением силы сварочного тока температура дуги под водой возрастает.

Перенос металла в дуге. Специфические условия протекания процесса сварки под водой сказываются и на переносе металла с электрода в сварочную ванну, оказывая влияние как на металлургию процесса, так и на качество сварного шва.

Перенос металла в дуге зависит от способа сварки. Так, при сварке штучными электродами с наружным покрытием, образующим так называемый козырек, капля, Хотя и перемещается по торцу электрода, однако после отрыва от него устремляется непосредственно в сварочную ванну. В случае же сварки тонкой электродной проволокой капля после отрыва с электрода увлекается конвективными потоками-в парогазовом пузыре и уносится в сторону и вверх, достигая иногда даже токоподводящего наконечника. Описывая круговые движения, она постепенно выходит из сферы действия этих потоков и, как правило, опускается в сварочную ванну, хотя и не исключены случаи, что капля вообще выходит из полости пузыря и превращается в брызгу.

Обращает на себя внимание также и размер капель. При сварке штучными электродами капли относительно невелики, однако при сварке, например, тонкой проволокой они превышают диаметр электрода в 2—3 раза и достигают 3,2—3,8 мм в диа1метре. По мере «плавания» капель внутри пузыря они уменьшаются в объеме. Особенно это заметно при сварке голой проволокой. При сварке штучными электродами это явление почти не наблюдается, и время пребывания металла в стадии капли (между электродом и ванной) ничтожно мало — в среднем 0,0028 с, в то время как при сварке тонкой голой проволокой оно достигает 0,65 с (при сварке открытой дугой). При подаче в дугу углекислого газа капли движутся более целеустремленно к ванне, и время их перехода, не превышает 0,014 с.

Количество капель, переносимых с электрода в ванну, зависит, естественно, от способа сварки, а также от металлургических особенностей присадочного материала, т. е. от марки электрода. Так, например, при сварке тонкой голой проволокой открытой (не защищенной) дугой число переходящих с составляет всего лишь 18, в то время как при сварке электродами ЭПС-42 диаметром 5 мм — 40—45.

Влияние внешних факторов на дугу. Рассмотрим влияние соленности воды и глубины погружения дуги в воду на процесс сварки под водой и на формирование сварных швов.

Влияние солености воды. Как показали исследования, повышение соленности воды увеличивает устойчивость процесса сварки. Если поддерживать постоянным напряжение холостого хода, то с увеличением солености воды увеличивается расход мощности (вследствие роста силы сварочного тока), и наоборот, если сварочный ток поддерживать постоянным, то напряжение холостого хода с увеличением солености воды уменьшается, а в связи с этим уменьшается расходуемая мощность.

Напряжение дуги понижается в основном в — результате уменьшения падения напряжения в приэлектродных областях (см. табл. 10. Соленая вода, будучи естественным электролитом, содержит ионы металлов — калия, натрия, кальция и магния, а также ионы водорода (катионы) и отрицательно заряженные ионы хлора, брома и других элементов (анионы), находящиеся в беспорядочном движении. Под воздействием электрического поля дуги они ориентируются в соответствии со своими зарядами и начинают двигаться — катионы к катоду, а анионы к аноду. Так как некоторые ионы металлов в первую очередь калия, натрия и кальция, обладают более низким потенциалом ионизации, чем ноны железа (т. е. металла электродов, между которыми горит дуга), то они, ионизируя дуговой промежуток, облегчают зажигание, поддерживают горение дуги и способствуют снижению общего напряжения дуги.

Влияние ионов хлора, затрудняющих горение дуги, на практике, видимо, невелико (проявляется взаимодействие ионов других элементов в морской воде, так как общая концентрация солей в мировом океане мала и не превышает 3,5—3,7 г/л).

От солености воды зависит формирование сварных швбв под водой, поскольку с ее увеличением растет размер капель, переходящих с электрода в ванну (при сварке штучными электродами он иногда достигает 6 мм) и уменьшается их число (в единицу времени). Объем пузыря вокруг дуги под водой увеличивается почти в 3 раза.

Влияние гидростатического давления. Несколько иначе влияет на процесс сварки и энергетические характеристики дуги гидростатическое давление (глубина погружения дуги в воду).

Как известно, напряженность электрического поля столба дуги с увеличением давления растет — по данным Г. И. Лескова она пропорциональна р.

С глубиной погружения значительно возрастают потери мощности и увеличивается разбрызгивание, интенсивнее выгорают основные элементы —С, Si, Мп. По данным М. Л. Левина и Д. В. Киркея (США), химический состав сварных швов, выполненых под водой, по основным элементам -изменяется так, как это указано в табл. 2. В связи с погружением дуги в воду рас­тет ее обжатие гидростатиче­ским давлением—температура дуги повышается, а это приво­дит к увеличению глубины проплавления и изменению (а по существу к нарушению) формирования сварных швов. Все это указывает на необхо­димость ограничивать* силу тока при сварке под водой низколеги должна превышать I80—240 А. А причем с погружением дуги в воду она должна приближаться к нижнему приделу

Таблица 2

Изменение химического состава наплавленного металла в зависимости от глубины погружения в воду в % по массе (по М. Л. Левину и др.)

Глубина, м С Мп 81
20 0,26 0,63 0,16
40 0,19 0,21 0,08
60 0,09 0,12 0,03