ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

Переход металла в жидкое состояние при сварке создает необходимые условия для возникновения конвективных потоков в сварочной ванне. Причинами их образования могут быть давление дуги, электромагнитные силы, наличие градиентов температуры и т. д. Появившиеся взаимные перемещения частиц жидкости приводят к ускорению процессов тепло- и массообмена, которые являются, определяющими для кинетики металлургических явлений.

Для анализа обменных процессов в жидкотекучей среде не» обходимо знать скорость конвективных потоков. Информацию для этого получают экспериментальным путем. Можно использовать известный в гидродинамике метод наблюдения течений жидкости путем введения в некоторое сечение потока контрастирующего вещества (индикатора). Для сварки черных металлов в качестве индикатора применяют цветные металлы (температура плавления и плотность последних должны незначительно отличаться от соответствующих показателей металла сварного шва). Некоторые исследователи в качестве таких индикаторов использовали цирконий , В наших опытах применялась медь. Для этого отрезки медной проволоки зачеканивалйсь в углубления на поверхности изделия по намеченной оси сварного шва.

Наплавка производилась на пластины толщиной 20 мм, изготовленные из малоуглеродистой стали марки Ст. 3 под флюсом марки АН-348 А автоматом типа АДС-1000. В качестве электро-да использовалась проволока марки Св-08 диаметром 4 мм. Ток и напряжение были равны соответственно 690 а и 40 в, а ска. •ость сварки составляла 36 м/час. Распределение примесей меди обнаруживалось металлографически. Микрошлиф травился реактивом следующего состава: соляная кислота — 80 мл, хлор» мое железо — 80 г, хлорная медь — 6 г, вода— 1000 мл .

На рис. 1 изображен микрошлиф горизонтального сечения сварного шва; схема течения металла в сварочной ванне представлена на рис. 2. Частицы перемещаются в основном в направлении продольной оси сварочной ванны, противоположном скорости сварки. Это движение вызывается давлением дуги, действующим в головной части сварочной ванны (в зоне плавления основного металла).

Как видно из рис. 2, на фоне продольного (осевого) перемещения наблюдается образование вихревого движения, которое разливается в конечную форму в виде парного вихря.

Вихревое движение вызывается, очевидно, действием градиентов температуры и электродинамических сил в расплавленном металле. В формировании такого движения участвуют силы трения между движущимися частицами жидкости и твердой поверхностью сварочной ванны. Действие этих сил приводит к тому, что частицы 1 и 2 (рис. 2) получают вращение вокруг оси, перпендикулярной к направлению основного потока. Тогда, вследствие известного эффекта Магнуса, на них будет действовать сила, направленная внутрь потока . Кроме того, сужение канала

сварочной ванны и замкнутость ее формы вызывают замедление течения, вследствие чего может возникнуть движение, направленное в обратную сторону по отношению ко всему потоку .

Определить скорость вихревого движения в данном случае трудно. Скорость же продольного течения может быть оценена следующим образом. Обозначим длину пути, пройденного индикатором по оси шва через 1ин , а длину сварочной ванны — 1„. Приняв скорость кристаллизации в направлении продольной оси сварочной ванны равной скорости сварки , замечаем, что участок длиной 1ин заполняется индикатором с какой-то средней скоростью иср за то же время за какое участок длиной 1„ затвердевает со скоростью vCB На основании этого можно записать.

Входящие в правую часть формулы (2) величины 1в и 1,шможно определить непосредственным измерением. Длина 1в находится путем обмена кратера, образовавшегося в конце сварки, а длина 1ИН измеряется на протравленной поверхности шва.

Из формулы (2) следует, что средняя скорость течения жидкого металла по продольной оси сварочной ванны оказывается близкой к скорости сварки.

Выводы

1. Основным потоком в расплаве сварочной ванны является осевое перемещение металла в направлении, противоположном скорости сварки.

2. Средняя скорость перемещения расплава по оси сварочной ванны приблизительно равна скорости сварки.