Практически все мировые лидеры в области сварочного производства (Lincoln Electric, ESAB, KEMPPI и др.) ориентированы преимущественно на разработку и производства инверторных сварочных источников питания для ручной дуговой сварке [1].

Анализ осциллограмм процесса сварки от инвертора и диодного выпрямителя (рисунок) показывает [2] различие энергетических параметров процесса сварки во время образования и переноса капли электродного металла. При сварке от инвертора значения тока I_{мах к.з.} и I_мин изменяется 90…140 А, а при сварке диодным выпрямителем – 80…160 А, при I_раб 100 А. Следовательно, изменяется тепловложение в каплю электродного металла, а значит и размер переносимых капель электродного металла.

Расчет теплосодержания капель электродного металла при использовании источников питания с различными энергетическими характеристиками показал [3], что применение инверторных источников питания позволяет снизить перегрев капель электродного металла на 15-37 % по сравнению с диодным выпрямителем.

Теоретическое исследование

Расчетная формула объема переносимых капель электродного металла при сварке источниками питания с различной энергетической составляющей позволит спрогнозировать коэффициент перехода легирующих элементов с покрытого электрода в наплавленный металл, оценить процент перехода этих элементов в шлаковую и газовую составляющую, т.к. химические реакции при сварке почти полностью заканчиваются на стадии образования капли [4].

При изучении переноса электродного металла принимают следующие допущения [5]: столб дуги неподвижен и соостен с электродом, а капля металла имеет форму сегмента или шара. Приняв, что капля на торце электрода имеет форму шарового сегмента с основанием равным сечению электрода, массу капли можно определить по формуле [5]:

(1)

где m – масса капли, г;

γ – плотность жидкого металла, г/мм³;

R – радиус кривизны поверхности капли, мм

r₀ – радиус электродного стержня, мм

С другой стороны, массу переходящих капель с короткими замыканиями [6] можно найти:

, (2)

где τ_к.з. – время пребывания капли на торце электрода, с.

а – коэффициент 0,33∙10–4 г/с³.

а)

б)

Рисунок Осциллограммы процесса сварки (электроды марки LB-52U диаметром 3,2 мм): а – ВД-306; б – Nebula-315

Из формул 1–2 и используя формулу Кардано [7], радиус кривизны поверхности электродной капли можно найти по формуле [8]:

, (2.8)

Формулу 2.8 можно упростить

, (3)

где ; .

Таким образом, формула 3 показывает, что чем больше короткое замыкание, тем больше радиус капли переносимого электродного металла.

Объем капли имеющей форму шарового сегмента с основанием равным сечению электрода можно определить по формуле [8]:

. (4)

Расчетные данные массы переносимых капель и удельной поверхности

Выводы

В результате теоретического исследование, была выведена математическая формула, позволяющая определять объем переносимых капель электродного металла при использовании источников питания с различными энергетическими характеристиками.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ No. 15-38-50600.