Технология сварки под флюсом

Широкое применение этого способа сварки, предложенного в конце тридцатых годов, обусловлено высокими качествами его сварных соединений и производительности труда. В отличие от ручной сварки обмазанными электродами, величины сварочного тока при экономичном способе достигают 2000 А. Сварку можно производить на постоянном токе дугой прямой и обратной полярности, а так же на переменном токе.

Количество тепла, выделяемое электрической дугой, горящей под флюсом в газовом пузыре (рис. 23), ограниченном с нижней стороны сварочной ванной 7, а сверху - горкой расплавленного флюса 5, расходуется в процессе выполнения шва следующим образом: на расплавление электрода идет (14 – 16) %, на расплавление кромок металла - 18 %, на расплавление флюса - 20 %, на подогрев свариваемых кромок основного металла - 40 %, и радиационное излучение составляет (6 – 8) %. Таким образом, коэффициент полезного действия сварочного процесса составляет 54 %. Сварочная дуга горит между голой электродной проволокой (1), под током, и свариваемым металлом, находящимся под слоем флюса (3). Металл расплавленных кромок и сварочной проволоки под воздействием дуги и поверхностного натяжения отбрасывается в хвостовую часть сварочной ванны 7, в результате чего образуется сварной шов 6. Расплавленный над дугой флюс образует затвердевшую шлаковую корку 8 на поверхности шва.

Эффективная защита сварочной ванны от взаимодействия с воздухом обеспечивается при определенной толщине флюса. Толщина слоя флюса выбирается в зависимости от мощности сварочной дуги: при силе тока 200 – 400 А толщину слоя флюса делают равной от 25 до 35 мм, при силе тока 400 – 800 А – от 35 до 45 мм.

Производительность расплавления электродной проволоки главным образом зависит от силы сварочного тока дуги:

G = α _р ∙ I_св , (0)

где α _р– коэффициент расплавления электродной проволоки в

г/А∙ ч.

При одинаковых условиях (одинаковых проволоках по химическому составу и флюсе) коэффициент расплавления α _р зависит от диаметра проволоки d_э, силы тока дуги I_св, вылета электрода h_эл, и при увеличении диаметра электрода и силы тока дуги, он почти линейно возрастает. При сварке под флюсом вылет электрода обычно равен h_эл = 10d_эл.

Представим коэффициент расплавления электродной проволоки в виде

α _р=α _p'+ Δ α _p', (0)

где Δ α _p' - величина коэффициента, определяемая вылетом

электрода, Δ α _р' зависит от отношения вылета электрода к квадрату диаметра сварочной проволоки, т. е. h_эл/d_эл², и поэтому вылет электрода очень существенно влияет на производительность расплавления у проволок малого диаметра и весьма ограниченно у проволок большого диаметра.

Так, при сварке проволокой диаметром 2 мм с увеличением вылета электрода от 15 до 60 мм при токе 650 А - Δ α _р' увеличивается на 18 г/А∙ ч, на токах 450 А – на 13 г/А∙ ч.

В то же время, при сварке проволокой диаметром 5 мм на токах от 500 А до 900 А увеличение вылета электрода от 45 до 110 мм приводит к увеличению Δ α _р' на (2 - 4) г/А∙ ч.

Повышение производительности расплавления электродной проволоки при увеличении вылета электрода объясняется подогревом самого электрода за счет активного сопротивления. Это же приводит к потерям тепловой мощности дуги и ухудшению провара.

Глубина проплавления при сварке под флюсом в общем виде может быть оценена линейной зависимостью

h_пр = k_пр∙ I_св , (0)

где k_пр - коэффициент провара в мм/А, зависящий от рода тока,

полярности, диаметра электрода, сварочных и свариваемых

материалов.

По данным ИЭС при сварке под флюсами ОСЦ-45, АН-348 и ФЦ-9 на переменном и постоянном токе проволоками диаметром 2 мм ≤ d_эл ≥ 5 мм стыковых соединений без разделки кромок с нулевым зазором коэффициент k_пр = 0.01 мм/А, а при сварке стыковых соединений с разделкой кромок, а также угловых швов – 0.012 мм/А ≤ k_пр ≥ 0.02 мм/А. Минимальные значения соответствуют постоянному току прямой полярности, максимальные – обратной, а средние значения – переменному току.

Ширина сварочной ванны линейно связана со сварочным током, напряжением на дуге, скоростью сварки и толщиной свариваемого металла

B_ш ≈ J_св * U_д / V_св*S

Таким образом, ширина одиночного валика при сварке под флюсом пропорциональна силе тока и напряжению на дуге и обратно пропорциональна скорости сварки и толщине свариваемого металла. Зная глубину провара (h_пр) и коэффициент формы шва / или коэффициент формы провара ψ _пр, который зависит от диаметра электрода, силы тока и напряжения на дуге можно найти ширину шва

B_ш=ψ _пр*h_пр

Наиболее эффективно на ширину одиночного валика (шва) влияет напряжение на дуге и скорость сварки, причем если первое (U_д) может изменять ширину шва до 1.5 раз, то второе (V_св) расширяет этот диапазон до 2 и немного более раз.

На величину усиления одиночно направленного валика (g) незначительное влияние оказывает сила тока (J_св) и скорость сварки (V_св). При увеличении силы тока g может увеличиваться на несколько миллиметров, а при увеличении скорости сварки от 15 до 60 м/ч при прочих равных параметрах высота усиления уменьшается на 3 – 3.5 мм.

Автоматическая сварка под флюсом деталей толщиной до 14 мм осуществляется без разделки кромок, а свыше с разделкой кромок.Расчет режимов начинается с определения глубины провара:

Для стыковых швов: h_пр=S/2 +(1-3), мм,

где S-толщина металла

Для угловых швов: h_пр=0.7*K, мм,

где K≤ 8 мм – величина катета углового шва.

По величине провара h_пр определяется сварочный ток:

J_св = 1 / K_пр * h_пр .

По величине J_св и h_пр рассчитывают скорость сварки:

V_св = J_св² / ζ * h_пр ,

где ζ – коэффициент пропорциональности, который по данным

Г. А. Бельчука принимается равным 0.22*10⁴ при h_пр< 9 мм

и 0.49 *10⁴ при h_пр ≥ 9 мм.

В приведенных выше формулах принимается h_пр, K, S – в мм; J_св–в А; V_св – в м/ч.

По величине сварочного тока и допускаемой плотности тока определяется диаметр электродной проволоки (таблица 11)

Напряжение на дуге определяют по силе сварочного тока и диаметру электродной проволоки по формуле:

U_д=(50*J_св*10^-3⁄ d_э^0.5 )±1

После проведения расчета, по графикам, приводимым в литературе (Окерблом и др. «Проектирование изготовления сварных конструкций»), уточняют по выбранным d_эл, J_св и U_д величину коэффициента формы шва ψ _пр.Уточненное значение коэффициента формы шва должно находиться в пределах 1.5 < ψ _пр> 5.

Швы конструкционных углеродистых и легированных сталей, у которых ψ _пр находится в указанном диапазоне, защищены от образования в них горячих трещин, т. е. технологическая прочность их гарантирована. Если ψ _пр выходит за рамки указанного диапазона, то производится пересчет d_эл, J_св, U_д до нужных значений ψ _пр . При этом пересчитываются остальные параметры режима и шва. После уточнения параметров режима делается поправка – уменьшается напряжение при сварке угловых швов, выполняемых наклонным электродом на 2 – 3 В. Затем рассчитывается площадь каждого наплавленного прохода по формуле:

F_H=α _р *J_св/3600ρ *V_св см²

Определенная таким образом площадь наплавки сопоставляется с площадью разделки и расхождения не должны превышать 15-20%. При сварке однопроходных и 2 – проходных швов эта площадь на 15-20% должна превышать площадь разделки и предназначены эти 15-20% на выполнение усиления.

Подготовка кромок при сварке под флюсом производится по ГОСТ 8713-70 «Швы сварных соединений. Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом. Основные типы и конструктивные элементы».

Автоматическая сварка под флюсом выполняется только в нижнем положении на режимах, расчет которых приведен выше. Изделие устанавливается горизонтально или под углом не более 8° относительно плоскости горизонта. При сварке на подъем увеличивается глубина провара. При сварке на спуск уменьшается глубина провара, но увеличивается ширина и высота усиления. То же самое происходит при сварке по горизонтально установленной детали при изменении угла наклона электродной проволоки вперед или назад.

Стыковые, угловые и тавровые соединения свариваются на весу или с применением устройств, формирующих обратную сторону шва. В качестве таких устройств применяются медные подкладки, флюсовые подушки, флюсомедные подкладки, керамические подкладки одноразового использования и остающиеся стальные подкладки. Сварку на медной подкладке выполняют на изделиях толщиной 2 – 4 мм при этом зазор между изделием и подкладкой не должен превосходить 0.5 мм. Сварку деталей более 4 мм выполняют на флюсовой подушке.

Сварку угловых и тавровых соединений выполняют при наклоне электродной проволоки к горизонту от 60° до 45°. При наличии кантователей и вращателей, а так же если свариваемая конструкция позволяет, сварку на кантователях и вращателях выполняют в лодочку.

Как уже говорилось выше при сварке под флюсом коэффициент полезного действия процесса составляет 54%. Применение сварочных процессов, в которых задействовано 2 или 3 дуги способствует повышению производительности сварки, но не КПД. Для повышения КПД сварочного процесса под флюсом предложено дополнительно подавать в дугу и хвостовую часть сварочной ванны в виде присадки электронейтральную проволоку, плавление которой осуществляется за счет избыточного тепла сварочного процесса без дополнительных затрат электрической энергии. Применение в качестве электронейтральных присадочных материалов порошковых проволок способствует повышению стойкости против образования горячих трещин и повышению общей производительности расплавления присадочного материала (т. е. материала электродной проволоки плюс материала электронейтральной присадочной проволоки) в 2 – 2.5 раза. Это позволяет поднять коэффициент расхода теплового потока на плавление проволоки с 14% до 25% – 30%, т. е. увеличить коэффициент полезного действия сварки с 54% до 65% – 70%.

Процесс сварки под флюсом может производиться одной или расположенными последовательно несколькими дугами одинаковой полярности, разной полярности, горящих на постоянном токе или постоянном и переменном токах. Для снятия магнитного дутья дуг рекомендуется последний вариант.

Технология сварки под флюсом применяется на нескольких видах свариваемых конструкционных материалов – сталях, меди и сплавов, алюминии и титане. Поэтому существует три вида сварочных флюсов – оксидные, солевые и солеоксидные. Оксидные флюсы состоят из оксидов марганца, кремния и др. и применяются в основном для низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Солевые флюсы – это фтористые и хлористые соли с щелочно – земельными элементами – литием, натрием, барием, калием и др. Они применяются при сварке алюминия, титана. Солеоксидные флюсы применяются при сварке меди и т. д. Проволоки и режимные характеристики приводятся в соответствующих разделах на сварку этих материалов.

Стали подразделяются на низкоуглеродистые с содержанием углерода от 0.05% до 0.25%, среднеуглеродистые с содержанием углерода от 0.26% до 0.45% и высокоуглеродистые с содержанием углерода от 0.46% до 0.90%. В зависимости от содержания легирующих элементов на 3 группы:

1. низколегированные, содержащие в сумме до 2.5% легирующих элементов;

2. среднелегированные, содержащие от 2.5% до 10% легирующих элементов;

3. высоколегированные, содержащие более 10% легирующих элементов;

В атомном энергомашиностроении наиболее широко представлены низкоуглеродистые и низколегированные стали. Для этих сталей применяются флюсы двух типов – плавленые и керамические.

Область горения сварочной дуги называется плавильным или сварочным пространством. При сварке под флюсом в плавильном пространстве происходит расплавление электродного металла, основного металла и флюса. Расплавление электродного металла и пересечение каплями этого дугового промежутка сопровождается интенсивным испарением в плавильное пространство, ограниченное жидкой сварочной ванной, также испаряющейся, и коркой расплавленного флюса, из которого в это пространство поступают пары легкоплавких компонентов флюса и газов. Металл на стадии капли перегрет на 800-1100°С, а на стадии ванны на 200-500°С. Газообразные продукты в плавильном пространстве состоят из продуктов разложения компонентов флюсов.Так в плавильном пространстве при сварке под высококремнистым и высокомарганцевым флюсом ОСЦ-45 газовая фаза под коркой флюса состоит из СО₂ – 1.3%, СО – 84%, Н₂ – 14%, О₂ – 5*10^-3 % по объему и углеводородов мене 1%. Вся область плавильного пространства может быть разбита на 2 зоны: высокотемпературную и низкотемпературную. Основные элементы металлургических процессов, протекающих в этих зонах, следующие: легирование расплавленного металла; рафинирование жидкого металла, т. е. удаление вредных примесей – серы, фосфора и газов (кислорода, азота, водорода); модифицирование шва – измельчение его первичной структуры.

В высокотемпературной зоне между расплавленными металлом сварочной ванны и электрода, жидким флюсом и газовой фазой протекают окислительно-восстановительные реакции, в результате которых одни элементы из металлической фазы переходят в шлак, а другие из шлака в металл. Эти реакции имеют эндотермический характер и направлены с лева на право:

1.

2.

3.

4.

В этой высокотемпературной зоне в жидком металле идет процесс накопления марганца, кремния и закиси железа. При этом переход кремния и марганца в металл шва зависит от кислотности шлака и его состава. Реакция выгорания карбидного углерода вызывает уменьшение углерода в составе металла шва. На этой стадии, т. е. в высокотемпературной области газовая фаза плавильного пространства насыщается кислородом и водородом вследствие диссоциации влаги в дуге.

В низкотемпературной зоне реакции взаимодействия со шлаком идут в обратную сторону. При температурах близких к температуре кристаллизации марганец и кремний играют роль раскислителей и в виде окислов уходят в шлак. Окисление марганца и кремния при понижении температуры проходят за счет кислорода в жидком металле. В то же время при понижении температуры растворимость FeO в жидком металле снижается, и закись железа выделяется в шлак. Поэтому содержание Mn, Si, O₂, C в шве не сохраняется на исходном уровне, а вследствие большой быстротечности процесса охлаждения и кристаллизации металла, равновесие в системе шлак-металл не достигается.

Содержание серы и фосфора во флюсах, как правило, в 4-7 раз превосходит содержание этих элементов в сварочных проволоках, для которых они предназначены.

В низкотемпературной зоне протекают металлургические процессы рафинирования жидкого металла. Из-за резкого понижения температуры концентрация кислорода в жидком металле начинает превышать его растворимость и это способствует активному окислению углерода и водорода по реакциям

2[H]+[O]=H₂O

[C]+[O]=CO

Процесс выделения из жидкого металла СО сопровождается образованием пузырьков СО куда диффундируют остальные газы, в том числе и водород, выделяющиеся из жидкого металла. Он протекает в часть жидкой сварочной ванны, расположенной за дугой, и называется кипением ванны.

В высокотемпературной зоне функции, которые могут выполнять керамическими и плавлеными флюсами, одинаковы. Однако после прохождения дуги керамические флюсы обеспечивают более высокое легирование металла шва. Таким образом, главное отличие керамических флюсов от плавленых состоит в том, что при сварке с плавлеными флюсами основное легирование металла шва производится за счет легирования электродных проволок, а при сварке с керамическими флюсами могут использоваться нелегированные или малолегированные сварочные проволоки, а дополнительное легирование шва можно производить через хвостовую часть сварочной ванны посредством керамического флюса.

При сварке под флюсом той или иной марки стали выбор сварочных материалов включает в себя одновременно выбор флюса и проволоки. Наиболее распространенными в атомном энергетическом машиностроении являются низкоуглеродистые и низколегированные стали. Для этих сталей применяют следующие системы флюс-проволока.

Для низкоуглеродистых сталей применяются флюсы плавленые ОСЦ-45, АН-348А, АН-60, суммарное содержание оксидов марганца и кремния в которых превышает 90%, и флюса ФЦ-9, где сумма этих оксидов достигает 78%, а также керамических марок К-1 и К-2 на шлаковой основе FeO-TiO₂-SiO₂-Al₂O₃-CaF₂ и флюсы марок КВС-19, К-10, К-11 на шлаковой основе MnO+SiO₂+CaF₂. Эти флюсы применяются в сочетании с низкоуглеродистыми проволоками Св-08, Св-08А и Св-08АА.

При сварке низколегированных сталей содержание углерода в сварном шве не должно превышать 0.15%.Применяются как высококремнистые и высокомарганцовистые флюсы марки АН-348А, так и флюсы с пониженным содержанием оксидов MnO и SiO₂, но повышенным по сравнению с АН-348А содержанием CaF₂ марок АН-15, АН-22, АН-42. Эти флюсы применяются в сочетании с низколегированными проволоками Св-08ГД, Св-1012, Св-08ХМ, Св-08ХМФА и Св-10НМА.

Хорошие результаты получены так же при сварке высокопрочных низколегированных сталей с использованием АН-17 и АН-17М в сочетании с кремнемарганцовистыми и другими легированными проволоками.

Технология сварки под флюсом низкоуглеродистых и низколегированных сталей отличается незначительно. Режимы сварки зависят от конструкции соединения типа шва и техники сварки (таблица 1).

Свойства металла околошовной зоны регулируется как выбором термического цикла, сварки (применение однодуговых, двухдуговых процессов) так и послесварочной термообработкой.

По сравнению с дуговой сваркой покрытыми электродами при сварке под флюсом уменьшается трудоемкость изготовления сварных конструкций в 2 – 5 раз и в 5 – 10 раз снижается затраты на сварочные материалы и электроэнергию.

По санитарно – гигиеническим показателям сварка под флюсом является одним из самых чистых процессов, т. к. валовые выделения токсичных сварочных аэрозолей при сварке под флюсом в десятки и даже сотни раз меньше, чем при ручной сварке покрытыми электродами.

ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКИ

Электрошлаковая сварка – одна из разновидностей сварки плавлением, основанная на выделении тепла при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Посредством электрошлаковой сварки формируются стыковые, угловые и тавровые соединения постоянного и переменного сечений (рис. 24).

Рис. 24. Основные типы сварных соединений, выполняемых электрошлаковой сваркой: а и б — стыковые; в и д — тавровые; г — угловое; е — переменного сечения

Электрошлаковая сварка осуществляется в зазоре, две противоположные стороны которого являются свариваемыми деталями (2), а две остальные – медными водоохлаждаемыми устройствами (5), плотно прилегающими к свариваемым деталям (рис. 25). В этом пространстве (между кромками и водоохлаждаемыми устройствами) существует шлаковая ванна (3), представляющая собой расплав солей окислов сульфидов и других химических соединений. Температура шлаковой ванны (3) колеблется от 1800° на ее поверхности, достигает более 2000° в центральной части у электрода и незначительно понижается при приближении к поверхности металлической ванны (4) и донной части. При невысоких токах разница температур вызывает естественную конвекцию, которая выражается в возникновении в шлаковой ванне вихревого движения. Вокруг электрода (1) возникают восходящие конвективные потоки расплавленного шлака, которые перед свободной поверхностью поворачиваются от электрода, а затем устремляются вниз, где опять разворачиваются в сторону электрода. При увеличении тока направлением потоков, возникающих возле электрода, начинают управлять пандермоторные силы, вызванные взаимодействием сварочного тока с собственным магнитным полем, и тогда направления вихрей изменяются в противоположную сторону, т. е. в центре вокруг электрода поток расплавленного шлака является нисходящим, а на периферии – восходящим. В целом и в том, и в другом случае поток образует замкнутый вокруг электрода вихрь.

Электродинамические силы деформируют свободную поверхность металлической ванны, образуя на ней углубление в виде лунок под электродами. При увеличении силы тока глубина лунок увеличивается и одновременно увеличивается глубина сварочной ванны и глубина погружения электрода. Электрические силы вызывают образование потоков в металлической ванне. Потоки перегретого металла, двигаясь вдоль кромок свариваемых деталей, подмывают их. Этим объясняется своеобразная форма проплавления кромок в виде сферических ниш.

Расплавление электрода происходит за счет суммарного тепла шлаковой ванны, разогрева электрода протекающим по нему током и тепла, выделяющегося вследствие того, что электрод по отношению к шлаковой ванне является анодом или катодом и на поверхности раздела электрод – шлак должны протекать тепловые процессы, связанные с прикатодными или прианодными явлениями, такими как возникновение объемных зарядов, работа выхода электрона и т.д. и т.п. Эти явления не подчиняются закону Ома.

Если весь приток тепла обозначать через q, то его составляющие будут тепловые потоки, образующиеся при прохождении тока через электрод и границу раздела электрод – жидкий шлак q₁ и через жидкую шлаковую и металлическую ванну q₂. Так как не совсем ясны механизмы тепловыделения, например, на границе электрод – жидкий шлак и в ряде других случаев, полагают, что q₁ = 5% q, а q₂ = 95% q.

Тепло полученное в процессе электрошлаковой сварки, расходуется на разогрев и плавление электродной проволоки, жидкой шлаковой и металлической ванны и плавление кромок деталей q₃ отвод тепла в ползуны от шлаковой ванны шва и основного металла q₄, отвод тепла по всему контуру шлаковой и жидкой металлической ванны в основной металл q₅ и потери тепла с поверхности жидкой шлаковой ванны, которое поглощается кромками свариваемых деталей q₆. Отдельные тепловые потоки легко определяются калориметрированием (например, q₄), другие посредством измерения температурного поля в свариваемых деталях (q₅) или измерения радиационного теплообмена (q₆).

Общая картина расхода теплового потока при электрошлаковой сварке следующая: q₃ ≈ 25%q, q₄ ≈ 10%q, q₅ ≈ 58%q, q₆ ≈ 7%q.

Возбуждение электрошлакового процесса заключается в расплавлении флюса и нагрева образовавшейся шлаковой ванны до рабочей температуры. Существует несколько способов наведения шлаковой ванны. По первому из них в начальный момент применяют флюс электропроводимый в твердом состоянии. При соприкосновении электрода с поверхностью такого флюса он начинает плавиться, образуя шлаковую ванну. Когда шлаковая ванна частично наведена, засыпают флюс, применяемый по данному технологическому процессу. По другому способу тонким электродом наведение шлаковой ванны производят следующим образом. На первой стадии процесса электрод подключают к источнику тока через дополнительное сопротивление, увеличивающее крутизну падающей вольт – амперной характеристики. Скорость подачи тонкой электродной проволоки уменьшают приблизительно в 2 раза, за счет чего сокращается ток, но увеличивается напряжение на дуге горящей под флюсом. Это способствует ускоренному расплавлению флюса на небольшом по протяженности участке шва. После наведения сварочной ванны подачу проволоки увеличивают, а дополнительное сопротивление шунтируют, из-за чего процесс приобретает рабочие параметры.

При электрошлаковой сварке электродами большего сечения шлаковую ванну наводят заранее в отдельном тигеле с помощью неплавящегося электрода, заливают в пространство между свариваемыми кромками, после чего начинают процесс сварки. Необходимо отметить, что начальный участок шва, когда процесс еще не установился, имеет много дефектов, поэтому шов начинается в специальном кармане, приваренном к кромкам свариваемых деталей.

После возбуждения процесса электрошлаковой сварки начинается бездуговое плавление электродной проволоки, стекающей каплями вниз, плавление кромок деталей, контактирующих с разогретым за счет прохождения тока шлаком. Жидкий металл кромок также стекает вниз и вместе с каплями образует жидкую металлическую ванну. При установившемся сварочном процессе скорость сварки, т.е. перемещения головки сварочного автомата вместе с водоохлаждаемым ползуном относительно кромок, скорость плавления, поступающих в сварочную ванну электродов, поддержание уровня поверхности жидкой шлаковой ванны относительно кромки ползуна осуществляется автоматически.

Основными элементами шва являются: ширина сварочного зазора b, ширина шва b_m, глубина шлаковой ванны h_s, глубина металлической сварочной ванны h_m.

Основными параметрами сварочного процесса являются: скорость сварки V_св (скорость перемещения головки автомата относительно кромок), скорость подачи электродов V_l, сухой вылет электрода L_c (т.е. расстояние от мундштука до поверхности шлаковой ванны), площадь поперечного сечения электрода (сечение электрода Fe, напряжение сварки (суммарное падение на сухом вылете и в шлаковой ванне)), скорость возвратно поступательного перемещения электрода вдоль зазора V_п, количество плавящихся электродов n и сила сварочного тока J_св. Кроме этого существуют коэффициенты, характеризующие шов, выполненный ЭШС: коэффициент формы металлической ванны ψ, характеризует отношение ширины шва (металлической ванны) h_m, ψ = b_m ⁄ h_m.

Другой коэффициент характеризует долю основного металла в металл шва, определяется по зависимости.

Коэффициент формы металлической ванны при качественном формировании шва может изменяться 0.8 < ψ > 10при средних значениях 1.5 < ψ > 4. При ψ = 0.8 появляются кристаллизационные трещины. При увеличении скорости подачи электродов V_l увеличивается сила тока J_св, растет незначительно ширина шва b_m и значительно глубина ванны h_m, из-за чего при ψ < 0.8 могут появиться кристаллизационные трещины. Глубина шлаковой ванны h_s в нормальных условиях составляет величину 30 – 70 мм. Увеличение глубины шлаковой ванны приводит к незначительному уменьшению ширины металлической ванны. Величина сухого вылета L_с в сварочных процессах составляет 60 – 70 мм. Увеличение вылета приводит к снижению тока, уменьшению ширины и глубины металлической ванны.

Изменение сечения электрода в незначительной степени влияет на параметры металлической ванны.

Изменение сварочного напряжения прямо пропорционально изменяет ширину сварочной ванны. Поэтому при низком напряжении могут возникать непровары по кромкам.

Скорость возвратно-поступательного движения электрода должна соответствовать оптимальной при данных параметрах сварки.

С увеличением количества электродов n возрастает ширина шва и менее значительно глубина металлической ванны.

Увеличение зазора b приводит к увеличению ширины металлической ванны b_m.

При электрошлаковой сварке интенсивность реакций взаимодействия настолько низка, что изменение химического состава флюса в широких пределах вызывает лишь незначительные изменения химического состава металла шва. Поэтому при ЭШС исключается возможность легирования металла шва через флюс. Металл шва в основном легируется за счет применения легированных электродных проволок. Даже при сварке обычных углеродистых сталей применяют электродную проволоку Св – 08ГА или Св – 10Г2 либо пластины из стали 09Г2. Вторым способом легирования металла шва при электрошлаковой сварке является подача в шлаковую ванну крупки ферросплавов или специальной лигатуры. Металл шва можно также легировать специальными присадками в виде порошковой проволоки, пластин или стержней, которые подаются в шлаковую ванну без токоподвода. Возможно, легирование металла шва за счет применения пластинчатых электродов предварительно покрытых ферросплавами.

Согласно ГОСТ 15164-78 тип сварного соединения при ЭШС определяется его поперечным сечением, а вид шва – формой продольного сечения. Существуют стыковые, угловые и тавровые типы сварных соединений (см. рис. 24). Наиболее распространены стыковые соединения, а угловые и тавровые встречаются реже, т. к. техника их выполнения является более сложной. Наиболее распространенными являются прямолинейные швы, выполняемые в вертикальном положении. Кольцевые швы выполняются на цилиндрической, конической и сферической поверхностях (рис. 26).

Рис. 26. Электрошлаковая сварка кольцевого шва: а — вырезка дефектов в начале сварки; б — замыкание шва;

А — направление вращения изделия; Б — перемещение автомата

Степень готовности собранного соединения под сварку определяется характером обработки торцевых и боковых поверхностей, взаимным расположением свариваемых кромок и прилегающих участков и надежным их раскреплением.

Способ обработки торцевых поверхностей зависит от свариваемого материала, его толщины и требований по точности изготовления конструкции. Для сварки сталей толщиной до 200 мм торцевые поверхности кромок подготавливают газовой резкой, а торцевые поверхности кромок сталей типа 34ХМ, 34ХМ3Н, 25ХН3МФА обрабатывают механически. При толщинах сталей более 200 мм торцевую поверхность кромок обрабатывают только механически.

Различают расчетные и сборочные зазоры. Расчетный зазор представляет собой фиктивную величину, которую учитывают при расчете размеров свариваемых деталей. В действительности изделие собирают с большим так называемым сборочным зазором, учитывающим деформации при сварке соединяемых частей конструкции. Сборочный зазор превышает расчетный от 1 мм при толщине металла 16 – 30 мм до 12 мм при толщине до 2 м.

В большинстве случаев зазор выполняют клиновидным, расширяющимся к верху. Угол раскрытия может составлять величину от 1° до 2°.

При разности толщин свариваемых кромок более 10 мм толстую кромку сострагивают либо на более тонкую устанавливают выравнивающую планку, которую сострагивают после сварки.

Для фиксации соединяемых частей при сборке применяют скобы и планки, привариваемые поперек стыка к свариваемым кромкам на расстояние 500 – 800 мм друг от друга. Скобы устанавливают на стационарных устройствах, а планки со стороны шва, где движется ползун. Планки приваривают односторонним швом, который заканчивается на расстоянии 60 – 80 мм от торцевой поверхности кромки.

Размеры зазоров под сварку собранных соединений в зависимости от толщины свариваемого металла приведены в таблице:

При сварке деталей толщиной до 500 мм используют электродную проволоку диаметром от 2.5 до 5 мм. При этом сварку деталей толщиной до 50 мм ведут одним неподвижным электродом, а более 50 мм – 2-3 электродами.

Скорость сварки устанавливают по толщине свариваемых деталей, а также из соображений повышения точности размеров свариваемого изделия.

Скорость подачи электродных проволок находят по известному соотношению:

V_l=V_св*F_H ⁄ ∑ F_l,

где F_H = S * b – площадь наплавленного металла в шве,

∑ F_l – суммарная площадь сечений плавящихся электродов.

Расчетная скорость V_l сопоставляется с величиной допустимой скорости в зависимости от содержания углерода в металле свариваемых деталей. По величине V_l рассчитывается сила тока:

J_св = 2.2 V_l + 90

Скорость возвратно-поступательного перемещения электродов задается в пределах 30 – 90 м ⁄ ч, величина вылета 60 – 70 мм. Диаметр электрода выбирается по расчетному значению силы тока и допустимой для электрошлаковой сварки электродными проволоками плотности тока от 15 до 160 А ⁄ мм².

При толщинах свариваемых деталей до 2 м, образующих прямоугольный шов, в качестве электродов используются пластины толщиной 5 – 12 мм и длиной до 3.5 м. Толщина пластины должна не превышать 1 ⁄ 3 ширины зазора. Ширина пластины определяется толщиной свариваемых деталей, но обычно не превышает 260 мм. Число пластин зависит от ширины шва.

Плотность тока в электродных пластинах колеблется в пределах 0.3 – 2.5 А ⁄ мм² (при токе на каждую пластину 400 – 2500 А).

Скорость сварки особенно больших толщин свариваемых деталей определяется из условий предотвращения горячих трещин. Скорость подачи электродных пластин рассчитывается по формуле:

V_ln = V_св * ∑ F_пл ⁄ F_H - ∑ F_пл

Оптимальная скорость подачи электродов большого сечения составляет 1.2 – 3.5 м ⁄ ч.

Сварочный ток можно определить по следующей формуле:

J_св=1.2(V_св+0.2V_ln)*∂ _l*S_l,

где ∂ _l и S_l –толщина и суммарная ширина пластинчатых электродов.

В ряде случаев, особенно при сварке швов сложной конфигурации используют процесс сварки плавящимся мундштуком. Мундштук представляет из себя пластину, копирующую форму свариваемого стыка, к которой прикреплены направляющие трубки для подачи сварочной проволоки. Толщина мундштука составляет 15 – 25% ширины зазора, направляющие трубки для подачи проволоки диаметром ≈ 3 мм располагаются на расстоянии 30 – 70 мм друг от друга. Мундштук укрепляют в зазоре между свариваемыми деталями неподвижно и изолируют от кромок в течение всего цикла сварки с помощью стеклоткани, наложенной на его поверхность, изоляционных покрытий, керамических скоб, пластин и т. д. В процессе сварки происходит плавление самого мундштука и проволоки, подаваемой по трубкам.

Некоторым недостатком данного способа помимо сложности изготовления и закрепление мундштука в зазоре является необходимость применения источников большой мощности.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ

По применению в промышленности развитых стран этот вид сварки является самым востребованным т.к. объём его применения составляет 45% общего объёма сварочных работ. Эта востребованность обуславливается тем, что, во – первых, технологии сварки (ручные и механизированные) универсальны, т.е. могут применяться во всех пространственных положениях, и в широком диапазоне изменения погонных энергий, во – вторых, обеспечивают высокое качество сварных швов и, в – третьих, достаточно экономичны и производительны.

Защита сварочной ванны, а в ряде случаев и разогретой части шва от взаимодействия с воздухом, обеспечивается инертными или активными по отношению к свариваемому материалу газами. Способы организации этой защиты подразделяются на камерную, струйную и канальную. Камерная газовая защита выполняется в мелких и крупных камерах от 5 ÷ 10 дм³ до 2500 м³. При камерной защите применяются инертные газы. Малые камеры представляют собой небольшие герметичные ящики в стенки, которых установлены герметичные перчатки для рук и горелки для ручной или механизированной сварки. После ввода туда свариваемых изделий камеры герметизируются и продуваются инертным газом, в котором впоследствии производится сварка. Большие камеры объёмом от 12 м³ до 2500 м³ это сложные сооружения, оборудованные шлюзовым помещением для ввода в камеру изделия или человека и системами контроля и регенерации газа с очисткой. Применяются они для сварки сложных конструкций из химически активных материалов, таких как титан, ванадий, ниобий и др. в машиностроении, авиастроении и судостроении.

Струйная газовая защита осуществляется на воздухе струёй защитного газа истекающей из сопла ручной горелки, горелки для полуавтомата или головки сварочного автомата (Рис.1)

Рис.1

Канальная газовая защита осуществляется устройствами обеспечивающими защиту тыльной стороны и лицевой части разогретого до высоких температур шва. (Рис.2)

Рис.2

При ручной сварке эти устройства небольшие, при автоматической идостигают полуметровой длинны и 100 мм в ширину. Канальной газовая защита называется потому, что внутренняя часть этих устройств образует вместе с защищаемой поверхностью канал, по которому движется защитный газ. Канальная и камерная газовые защиты применяются ограниченно, только при сварке химически активных в нагретом состоянии материалов. Струйная газовая защита применяется на всех свариваемых в защитных газах материалах. Поэтому рассмотрим только её.

Поток газа вытекающий из отверстия в стенке трубы круглой, плоской, квадратной или иной формы в пространство затопленное покоящимся газом называется затопленной струёй. Движение реальных газов может происходить только при двух режимах ламинарном и турбулентном. Строение всех струй одинаково, они состоят из начального и основного участков.

Рис.3 Схема движения защитных струй, истекающих при низких и высоких числах Рейнольдса из горелок с цилиндрическими а) и конфузорными б) соплами.

В центре начального участка находится ядро (1) вокруг которого формируется, постепенно увеличиваясь в толщину, пограничный слой края струи (2). Когда ядро заканчивается, а пограничный слой смыкается, начинается основной участок струи (3). Классификация струи осуществляется по режиму движения на основном участке. Хорошо известно, что ламинарное движение на основном участке затопленных струй возможно до чисел Рейнольдса (в дальнейшем R_e) порядка 30, а при больших оно переходит в турбулентное. Защитные струи, применяемые при сварке, работают в диапазоне чисел R_e, R_e ›700 и поэтому могут относиться только к турбулентным затопленным струям. В ядре струи концентрация газа остаётся неизменной и соответствующей концентрации газа поступающего в горелку, т.е. исходной концентрации. В пограничном слое края струи состав изменяется от концентрации газа ядра на границе с последним до концентрации воздуха на границе с воздухом. Концентрация газа основного участка струи – это смесь, состоящая из газа, поступающего в ядро струи и воздуха, при этом на оси струи в начале основного участка концентрация газа приближается по составу к газу ядра, а по мере удаления от ядра концентрация воздуха увеличивается. Учитывая современные требования к качеству газовой защиты можно утверждать, что функции газовой защиты может выполнять только ядро, находящееся в начальном участке турбулентной затопленной струи. Таким образом, защитной струёй называется начальный участок турбулентной затопленной струи, по оси которого располагается неплавящийся электрод или мундштук с наконечником для плавящегося электрода.

Размеры ядра струи зависят от аэродинамического качества потока на срезе сопла, из которого истекает струя и режима движения пограничного слоя струи. Это определяется однородностью поля скоростей R и степенью турбулентности на срезе сопла и рядом других факторов зависящих от конструкции проточной части горелки. Под проточной частью понимается совокупность деталей формирующих поток защитного газа в горелке, от момента входа в сопло до среза сопла на выходе потока из горелки.

Существует два принципиально разных типа защитных струй. Первый тип струй вытекает из горелок с цилиндрическим соплом и может обеспечивать эффективную газовую защиту только при низких числах R_e, рассчитанных по диаметру сопла R_e= U*Д/V, где U – скорость истечения струи на срезе сопла. Д- диаметр выходного отверстия сопла. V – кинематический коэффициент вязкости.

У таких струй при низких числах R_e пограничный слой края струи является продолжением ламинарного пограничного слоя движущегося по стенам сопла, из которого вытекает струя. По мере увеличения чисел R_e режим движения в пограничном слое края струи постепенно из ламинарного переходит в турбулентный (рис. 3а).

При этом сокращается не только длина пограничного слоя с ламинарным движением, но и длина всего начального участка с ядром струи (см. рис. 3а). При некоторых числах R_e ядро заканчивается прямо у среза сопла, из-за чего нарушается газовая защита. Числа R_e при которых струя теряет эффективность газовой защиты называются критическими. Таким образом, у этих горелок из-за ограничения расхода защитного газа теряется ряд технологических функций. Во – первых они не способны противостоять ветровым нагрузкам, т.е. не способны выполнять сварку на открытых площадках, где существуют сносящие воздушные потоки. Длина ядра у подобных струй при низких числах R_e достигает 8 – 10 диаметров выходного отверстия сопла, из которого она вытекает (см. рис. 3а). У струй вытекающих из горелок оборудованных сетками, за которыми располагается конфузорное сопло с образующей построенной по плавной параболической кривой, концы которой асимптотически стремятся к прямым параллельным оси сопла, пограничный слой в начальном участке при низких числах R_e так же ламинарен (см. рис.3б). Однако у этих струй длина ядра при низких числах R_e составляет всего 5 – 5, 5 диаметра выходного отверстия сопла. По мере увеличения чисел R_e как и в предыдущем случае, в пограничном слое края струи происходит перестройка течения и ламинарный режим в пограничном слое уступает место турбулентному (см. рис. 3б). Однако длина ядра при этом остаётся неизменной даже тогда, когда турбулентный пограничный слой начинается от кромок среза сопла. Это свойство струй вылетающих из горелок с конфузионными соплами делает их ветроустойчивыми и позволяет обеспечивать эффективную газовую защиту в глубоких узких разделках.

Говоря о режимах движения реальных газов, ламинарном и турбулентном, на что обращается внимание, является интенсивность протекания в них процессов обмена. Под обменом в движущихся газовых средах понимается, в данном случае, интенсивность переноса в направлении нормальном к основному движению (перпендикулярном) количества движения которое характеризуется коэффициентами вязкости, количества тепла характеризующегося коэффициентами теплопроводности и массы примесей (например, воздуха в защитных газах) характеризующегося коэффициентом диффузии. Не прибегая к математическому аппарату, который широко представлен в литературе, остановимся на физической сущности явлений обмена.

Согласно молекулярно – кинетической теории носителями физических свойств покоящихся газов являются молекулы и атомы, которые, хаотически перемещаясь, выравнивают физические поля в неподвижных газовых объёмах. При ламинарном движении носителями свойств среды так же являются молекулы и атомы из-за чего интенсивность процессов обмена протекает на уровне молекулярно-кинетической теории покоящихся газов, т.е. процесс переноса, например, массы примеси в направлении нормальном к основному движению протекает весьма медленно и ламинарный пограничный слой края струи непрозрачен для воздуха в пределах всего начального участка.

По мере нарастания скорости в движущемся газе увеличивается напряжённое состояние, из-за чего в нём начинают возникать моли, хаотически перемещающиеся в виде отдельных сгустков, одиночных вихрей и т.д. Эти моли, возникнув в определённых точках пространства, впитывают в себя свойства среды этих точек, они хаотически перемещаются, не встречая сопротивления со стороны атомов и молекул потока, и разрушаются после столкновения с молем аналогичным себе. Физические свойства среды, схваченные молем в точке возникновения, переносятся в точку разрушения. Количество возникающих и разрушающихся молей по мере увеличения напряжённости в потоке начинает возрастать и при достижении их критического количества на единицу объёма режим движения из ламинарного переходит в турбулентный скачкообразно.

Длина свободного пробега молекул и атомов в газах при ламинарном движении измеряется ангстремами, т.е. единицами длины равными 10^-10 м. Акты взаимодействия отдельных молекул и атомов (упругие и неупругие столкновения) невозможно измерить существующими приборами. В то же время размеры самих молей колеблются в очень широких пределах от величин сопоставимых в пределах одного порядка с размерами молекул и атомов до величин соизмеримых с десятками метров(порывы ветра- это и есть прохождение турбулентных молей в общем потоке ветра). Именно поэтому акты взаимодействия отдельных молей легко фиксируются современными приборами.

Размеры молей, с которыми приходится сталкиваться в процессе газовой защиты, изменяются от размеров сопоставимых с молекулярными атомами до размеров, на несколько порядков превосходящих размеры молекул и атомов. И поэтому интенсивность прохождения процессов объёма при переходе режима движения от ламинарного к турбулентному соответственно повышает протекание интенсивности обмена в газовой движущейся среде на несколько порядков. В качестве примера можно указать на визуальную фиксацию размеров зоны газовой защиты.

Если установить горелку нормально к пластине титана или нержавеющей стали, включить подачу аргона, зажечь на некоторое время и затем погасить дугу не выключая подачу аргона до охлаждения пластины соответствующего комнатной температуре, то на пластине мы увидим следующее (рис. 4)

Рис. 4

Непосредственно под электродом расплавленный металл в форме круга имеющий белую серебристую поверхность. За расплавленным – нерасплавленный металл с белой серебристой поверхностью ограниченной кромкой цветов побежалостив виде окружности. В пределах этой кромки происходит изменение цветов побежалостиотсоломенного, затем коричневого, фиолетового, синего, серого очень быстро в пределах нескольких миллиметров. Физически картина развивается следующим образом: центральная часть с металлом (расплавленным и нерасплавленным) омывается газом ядра струи и поэтому не имеет цветов побежалости. На небольшом расстоянии от центра поверхности расплавленного……….. в радиальном направлении начинает двигаться ламинарный пограничный слой, состоящий из газа ядер. Этот пограничный слой быстро теряет устойчивость и на поверхности пластины начинает двигаться турбулентный пограничный слой питающийся газом пограничного слоя края струи. Полоса цветов побежалости вокруг серебристого белого пятна и является линией отрыва ламинарного пограничного слоя турбулентный. По цвету побежалости можно характеризовать количество кислорода поступающего на разогретую поверхность. Видно, что нарастание кислорода очень интенсивно и на очень коротком участке. Это иллюстрирует интенсивность нарастания обмена при переходе ламинарного движения в турбулентное.

При натекании защитной струи (т.е. начального участка турбулентной затопленной струи) на твердую поверхность, картина её движения деформируется и переходит в движение пристеночной веерной (радиальной) струи распространяющейся

по защищаемой поверхности. (Рис. 5).

Рис. 5 Удар.

В центре струи на защищаемой поверхности образуется критическая точка, скорость струи в которой обращается U=0, а статическое давление, согласно уравнению Бертули, возрастает на величину динамического напора, т.е. pu²/2, где ρ – плотность газа ядра, а u – скорость струи на срезе сопла. Возрастание давления на оси струи начинается на расстоянии 0.5D (D – диаметр сопла струи) от защищаемой поверхности. Это является причиной деформации картины движения. По поверхности электрода, находящегося в центре ядра струи, движется ламинарный пограничный слой (см. рис. 5), который попадая в область возрастающего давления над критической точкой отрывается от поверхности электрода, образуя тороидальный вихрь (в дальнейшем ТВ) окружающий дугу (см. рис. 5). В отличии от ядра струи, состав газа которого всё время изменяется(из сопла подходит новый газ), состав газа ТВ изменяется очень незначительно и вследствие этого ТВ аккумулирует тепловую энергию поступающую в него от омываемой им поверхности сварочной ванны, дуги и неплавящегося электрода. С увеличением температуры увеличиваются размеры ТВ и одновременно с этим размеры ядра струи в зоне ТВ.

По защищаемой поверхности от внешних границ ТВ в радиальном направлении движется пристеночный ламинарный пограничный слой. Движение этого ламинарного пограничного слоя неустойчиво и на некотором расстоянии от границ ТВ он превращается в пристеночный турбулентный пограничный слой. В районе перехода к защищаемой поверхности близко подходит граница ядра струи, пристеночный турбулентный пограничный слой интенсивно набирает толщину и сливается с течением пограничного слоя края струи (см.рис. 5). Как уже говорилось, пограничный слой края струи состоит из защитного газа и воздуха. Поэтому в точку отрыва ламинарного пограничного слоя и перехода его в пристеночный турбулентный начинает поступать смесь защитного газа с воздухом. Эта смесь реагирует с разогретой поверхностью металла, образует на ней цвета побежалости, ограничивающие поверхность чистого металла, по которой движется газ ядра. Таким образом, поверхность чистого серебристого металла, включающая в себя сварочную ванну, ограниченная линией, за которой располагается поверхность металла, покрытая цветами побежалости, называется зоной газовой защиты. Зона газовой защиты хорошо визуально наблюдается на таких материалах как титан, нержавеющая сталь и т.д. Эффективность газовой защиты на любой горелке характеризуется тремя величинами – размером зоны газовой защиты, величиной вылета электрода, при котором может обеспечиваться газовая защита и ветроустойчивостью защитной струи.

Размеры зоны газовой защиты каждой горелки прежде всего зависят от её конструкции. Чем выше аэродинамическое качество проточной части горелки, тем больше размеры зоны газовой защиты. Наиболее высоким аэродинамическим качеством у горелок, работающих в диапазоне струй с ламинарным пограничным слоем обладают горелки, проточная часть которых состоит из сеток расположенных перед входом газа в сопло, сопел выполненных в виде цилиндров с гладкими стенками длинной 2 – 5 диаметров выходного отверстия сопла или конфузоров, образующая которых построена по плавной параболической кривой, начало и конец которой асимптотически приближаются к прямым, параллельным оси сопла. Сопла, внутренняя поверхность которых выполнена по таким кривым называются конфузорами двухасимптотными. Длина такого сопла должна составлять 2, 25 – 2, 5 диаметра выходного отверстия сопла.

Закономерности изменения размеров зоны газовой защиты, в зависимости от вылета электрода, на горелках с высоким аэродинамическим качеством проточной части представлены на рис. 6.

_D3/D

Как видно на рис. 6, при нулевом зазоре между защищаемой поверхностью и срезом сопла горелки, размеры зоны газовой защиты теоретически и практически могут соответствовать только размерам выходного отверстия сопла. При удалении от защищаемой поверхности D₃ (D₃ – диаметр зоны газовой защиты) начинает увеличиваться и при H/D = 0.5 (H – вылет электрода, D – диаметр выходного отверстия сопла горелки) наблюдается максимальная величина зоны газовой защиты. У горелок с маленьким диаметром выходного отверстия сопла D=8 – 12 мм, величина зоны в безразмерном выражении достигает значений 2, 4. У горелок с диаметром выходных отверстий сопла 18 < D < 22 эта величина соответствует 2, 15. Далее по мере увеличения вылета электрода размеры зоны газовой защиты уменьшаются и наконец, при вылетах электрода незначительно превышающих 5D защита полностью пропадает.

С повышенными вылетами электрода связаны такие технологические операции, как сварка в труднодоступных местах. Из рис. 6 видно, что даже при вылетах электрода до 4, 5 D_c возможно кратковременное зажигание дуги без нарушения эффективности газовой защиты. Однако при реальной сварке вылеты электрода из-за разогрева его поверхности ограничены следующими значениями: при сварке плоских узлов до 2D, при сварке в острый угол с величиной раскрытия 25⁰ ≤ α ≤ 35⁰ до 3, 2D.

Технологические возможности сварки в цеху при наличии сквозняков или на открытых площадках на ветру обеспечиваются только горелками, проточная часть которых оборудована сетками, за которыми установлено конфузорное двухасимптотное сопло. Способность такой струи противостоять ветровым нагрузкам появляется по мере превосходства скорости истечения струи над скоростью ветра. Однако и у струй, истекающих из конфузорных сопел, при низких числах R_e имеет место перестройка течения на начальном участке, которая выражается в наличии этапа повышенной протяжённости защитной струи с последующим переходом кривой графика в прямую параллельную оси R_e (рис. 7)

Рис. 7

Участок графика с прямой параллельной оси R_e характеризует автомодельное движение защитной струи, т.е. такое движение при котором картина течения не зависит от чисел R_e. Именно при автомодельном движении струи легко осуществлять сварку в условиях переменных ветровых нагрузок (постоянной скорости ветра в реальных условиях не бывает), компенсируя расходам струи изменяющуюся скорость ветра. Судя по графику (рис. 7) участок ветроустойчивости защитных струй начинается с чисел R_e = 7000 (рис. 7).

Приведённые выше зависимости и максимальные критерии, получены на горелках оборудованных соплами с высоким аэродинамическим качеством проточной части. У подавляющего большинства существующих горелок аэродинамическое качество проточной части значительно ниже и для количественной оценки их технологических возможностей по отношению к совершенным горелкам был предложен метод экспериментального определения коэффициента их эффективности. Подробное описание определения коэффициента эффективности газовой защиты у горелок приводится в методических указаниях к лабораторной работе «Определение эффективности газовой защиты горелок».

Защитные газы могут быть инертными, т.е. не вступающими в реакцию со свариваемым металлом, или активными, т.е. вступающими в реакцию с металлами в процессе сварки. К инертным относятся Ar, He. К активным относятся СО2, О2, N2 и т.д.

Инертные газы– Ar, Не применяются при всех видах сварки плавлением металлов, имеющих большое химическое сродство к кислороду, азоту и водороду, таких как титан, цирконий, ванадий, молибден и алюминий. Сварку активных металлов /Ti-Мо/ производит так же в смесях Ar – Не. Наи­более эффективной является смесь, состоящая из 35% Hе и 65% Ar. Она сочетает в себе глубокое проплавление с хорошим формированием поверх­ности шва. При сварке легированных сталей неплавящимся электродом применяются так же чистые Ar и Не или их смеси. В том числе сварка легированных сталей плавящимся электродом в чистых Ar и Hе протекает с образованием пор в швах. Поэтому при сварке плавящимся электродом сталей применяют­ся только смеси Ar и Не кислородом и С02. Сварка в азотно – аргонных смесях существенно увеличивает глубину провара и тепловложения в сварочную ванну. Азот по отношению к меди является инертным газом и поэтому сварку меди и медных сплавов – латуней, бронзы производят в смеси Ar с N2. C металлургической точки зрения можно полагать, что сварка в чистых инертных газах и их смесях практически представляет собой простые переплавы электродного и основ­ного металла без окислительных и восстановительных реакций. Химический состав шва в этом случае изменяется по отношению к присадочному и основному материалам только за счет некоторого испарения элементов.

При сварке в защитных газах применяются плавящиеся и неплавящиеся электроды. Сварка неплавящимся электродом произ­водится на всех свариваемых материалах– активных /Ti– Мо/, цветных /Al– Сu/ и сталях, от низкоуглеродистых до высоколегированных. При свар­ке неплавящимся электродом применяются только чистые т.е. высших сортов и категорий инертные газы Ar и Не и иногда из смеси с N2. В качестве неплавящегося электрода применяются прутки керамического вольфрама, поставляемые по ГОСТ 23949– 80 «Электроды вольфрамовые, сварочные, неплавящиеся. Технические условия". Марки вольфрамовых электродов, поставляемых промышленностью следующие: прутки из чистого вольфрама, марка ВЧ; прутки из вольфрама с добавкой окислов тория / 1, 0-2, 5% ThO2 марка ЭВТ-15; с добавкой окислов лантана La2O3 марка ЭВЛ-10 и с добавкой окислов иттрия Y2O3 марка ЭВИ.