Пензаэлектрод - сварочные электроды
Пензаэлектрод - сварочные электроды
Пензаэлектрод добавить в закладки
Адрес: РФ, 440028, г. Пенза, ул.Титова, 5
Е-mail: zavod@penzaelektrod.ru
Пензаэлектрод - сварочные электроды
Тел./Факс: 8 (8412) 49-52-52
Тел.: 8 (8412) 233-421, 233-422, 233-423

[ Перейти к списку статей ]

Электродуговая сварка

Свойства электрической дуги

Электродуговая сварка - наиболее распространенный способ соединения металлических деталей, при котором источником тепла является электрическая дуга. Электрическая дуга представляет собой непрерывный поток электронов и ионов, образующихся между двумя электродами в той или иной среде.

Дуга состоит из трех основных частей - анодной, катодной областей и столба дуги (рис. 1). В процессе горения дуги на поверхности электрода и основного металла образуются активные пятна, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, находящееся на аноде - анодным.

Электрическая дуга
Рис. 1. Электрическая дуга прямого действия: 1 - электрод; 2-3 катодное и анодное пятна; 3 - сварочная ванна; 4 - основной металл; 6, 8 - анодная и катодная области; 7 - столб дуги; Ua - анодное напряжение; UK - катодное напряжение; Uд - напряжение дуги; Uc - напряжение столба; Lд - длина дуги.

Для создания и поддержания дуги необходимо ионизировать воздух или газ в дуговом промежутке. Непрерывная ионизация воздуха или газа обеспечивается электронами, вылетающими с поверхности отрицательно заряженного электрода. Эти электроны сталкиваются с атомами или молекулами газообразных веществ, находящихся в пространстве между электродами, возбуждают или ионизируют их. В процессе горения дуги отрицательно заряженные частицы бомбардируют анод, а положительно заряженные - катод; при этом кинетическая энергия частиц превращается в тепловую и световую, электроны превращаются в электроны проводимости, а ионы нейтрализуются.

Столб дуги представляет собой плазму, нагретую до 6000-8000 °С и состоящую из смеси электронов, нейтральных атомов, положительных и отрицательных ионов. Количество энергии, теряемой в столбе дуги на направленное перемещение электронов и ионизацию газов, примерно 21%.

Выделение тепловой и световой энергии в сварочной дуге происходит неравномерно. Электроны, достигшие анода, отдают ему свою энергию. Здесь образуется сильно нагретое <анодное пятно>. Положительные ионы плазмы движутся к катоду и, отдавая ему энергию, формируют так называемое <катодное пятно>. Обычно в дуге преобладает электронная компонента тока, вследствие чего на аноде выделяется больше тепла, чем на катоде. Считается, что на анод приходится 43, а на катод - 36% энергии, остальная рассеивается в столбе дуги. Необходимое условие существования дуги - поддерживаемая ионной бомбардировкой высокая температура катода, благодаря которой происходит эмиссия электронов, ионизирующих газ в столбе дуги.

Если дуга включена в цепь переменного тока низкой (промышленной) частоты, то в конце каждого полупериода ток прекращается, дуга гаснет. Однако в следующем полупериоде, благодаря термоэмиссии электронов с не успевших остыть участков металла и сохраняющейся некоторое время остаточной ионизации газового промежутка, дуга возникает вновь, как только напряжение между электродами достигнет значения, называемого напряжением зажигания. Чтобы добиться устойчивого горения дуги на переменном токе, необходимы определенные меры. Применяют, например, специальные электроды, в состав покрытия которых добавлены вещества с низким потенциалом ионизации.

Температура электрической дуги зависит от материала электродов: при угольных электродах на катоде она составляет около 3200°С; на аноде - около 3900 "С; при металлических электродах соответственно 2400 и 2600°С. В центре дуги по ее оси температура достигает 6000-8000°С.

При электродуговой сварке на нагревание и расплавление металла используется 60-70% тепла. Остальное количество тепла (30-40%) рассеивается в окружающем пространстве.

Образование дуги начинается с ее зажигания, которое может осуществляться одним из двух способов:

  • электрод приближается к заготовке на расстояние 3-6 мм и в сварочную цепь на короткое время подключается источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор);
  • зажигание дуги осуществляется в три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку; отвод электрода на 3-6 мм; возникновение устойчивого электрического разряда.

Второй способ является основным, а первый применяется только при сварке неплавящимся электродом.

При коротком замыкании плотность тока в точках контакта достигает больших значений, и под действием выделяющейся теплоты металл в этих точках <мгновенно> расплавляется, образуя жидкую перемычку между основным металлом и электродом. При отводе электрода от поверхности металла жидкая перемычка сначала растягивается, образуя шейку, а затем разрывается, после чего с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит к их ионизации. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электрического тока. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

Схема электрической дуги
Рис. 1. Схема электрической сварочной дуги

На рис. 2 изображена схема устойчивой сварочной дуги, возникающей при пропускании тока между металлическим (проволочным) электродом 5 и основным металлом 6. Дуговой разряд 2, окруженный пламенем (ореолом) 4, имеет форму расширяющегося к поверхности столба, у основания которого в толще изделия образуется кратер дуги или сварочная ванна 3. Под влиянием автоэлектронной эмиссии и теплоты дуги конец электрода и находящийся под ним участок изделия расплавляются, на изделии возникает сварочная ванна, в которую по каплям У стекает расплавленный металл с электрода 5. Устойчивое горение, необходимое для высокого качества сварки, достигается при длине дуги 3-5 мм. Рекомендуемая длина дуги равняется диаметру электрода. При слишком длинной дуге металл электрода, плавясь, образует большие шарики (крупнокапельный перенос металла), при этом дуга, часто прерываясь, дает широкий неравномерный и забрызганный сварной шов с недостаточным сплавлением. При слишком короткой дуге выделяется недостаточно тепла для глубокого проплавления основного металла, и происходит частое прилипание электрода к основному металлу.

Устойчивость дуги улучшается с повышением напряжения холостого хода сварочного источника (его измеряют при отключенной нагрузке). Однако этот параметр ограничен требованиями безопасности обслуживающего персонала и, согласно ГОСТ95-77Е, не должен превышать 80 В.

Обычно в сварочную ванну с электрода стекает до 90% всего металла плавящегося электрода; 10% металла не достигает сварочной ванны вследствие частичного разбрызгивания, испарения и окисления.

При любом способе сварки и положении шва в пространстве металл всегда переходит с электрода на изделие в виде капель. Расплавленный электрической дугой металл электрода поступает каплями 1 в ванну жидкого металла 5, образующуюся на поверхности свариваемого изделия, у основания дуги (это место обычно называют кратером). Процесс начинается с образования слоя расплавленного металла на конце электрода. Под действием сил тяжести, сил поверхностного натяжения, давления образующихся в металле газов и сжимающего действия электромагнитных сил 2, способствующих образованию шейки 4, и по мере накопления расплавленный металл собирается в каплю, которая, в конце концов, перемыкает дуговой промежуток. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи, сопровождаемое резким возрастанием тока. Возникающие при этом электромагнитные силы разрывают каплю, а между ней и концом электрода возникает новая дуга. Капля с ускорением падает в кратер, причем часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки.

За одну секунду от электрода отделяется 20-50 капель металла примерно одинакового размера. При больших плотностях тока, например при сварке плавящимся электродом в защитных газах, капельный перенос может переходить в струйный, что способствует улучшению условий формирования шва.

Причина появления вокруг шва излишне большого числа застывших капель металла, удалить которые удается лишь с помощью молотка и зубила, зачастую кроется в форме нагрузочной характеристики источника сварочного тока. Для ручной сварки необходима такая характеристика, чтобы ток короткого замыкания превышал номинальный сварочный ток не более чем в два раза.

Поверхностное натяжение способствует переносу металла с электрода на изделие при сварке короткой дугой. Сила давления газов, возникающая при плавлении электрода, также помогает процессу переноса капли с электрода на свариваемую поверхность. Это играет большую роль при сварке в потолочном положении. Электрический ток, проходя по электроду, создает вокруг электрода магнитное силовое поле, которое оказывает сжимающее действие на жидкую каплю металла, образует шейку (пинч-эффект), и старается отделить каплю от электрода. Под действием электромагнитной силы капля вытягивается, при этом шейка смещается в среднюю часть, утоньшается, и, получив определенное ускорение от радиального давления по оси электрода, оторванная капля переносится в сварочную ванну. Электромагнитные силы способствуют переносу капли металла с электрода на изделие при всех положениях шва в пространстве.

В зависимости от рода тока различают дугу постоянного и переменного тока. Дуга постоянного тока может быть прямой и обратной полярности. При прямой полярности <плюс> источника тока подключается к свариваемому изделию, а <минус> к электроду, а при обратной наоборот.

В случае использования постоянного тока прямой полярности электрод нагревается меньше, чем основной металл, электроды с покрытием плавятся медленнее, сварной шов получается с большой глубиной проплавления (рис. 3), и, кроме того, устойчивее горит дуга между неплавящимся электродом и свариваемым изделием. Ток обратной полярности применяют при необходимости выделения меньшего количества теплоты в свариваемых заготовках, например при сварке легированных, высокоуглеродистых и специальных сталей, чувствительных к перегреву, некоторых цветных металлов, сварке тонколистового металла и т. п.

Глубина проплавления
Рис. 3. Глубина проплавления при сварке на прямой и обратной полярности неплавящимся электродом в защитном газе (а) и покрытыми электродами (б)

Электрический ток, проходя по проводнику, создает магнитное поле. Магнитное поле обладает энергией, называемой энергией магнитного поля, которая проявляет себя различным образом, например в действии одного проводника с током на другой проводник с током, находящимся в магнитном поле первого. Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной магнитной индукции.

Магнитная индукция поля зависит от тока, размеров и формы проводника с током и свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, является магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость черных металлов в 1000 раз больше магнитной проницаемости воздуха.

Магнитное поле изображают магнитными линиями (линиями магнитной индукции). Они проводятся так, чтобы направление касательной в каждой точке линии совпадало с направлением поля.

Магнитные линии можно использовать не только для указания направления поля, но и для характеристики его интенсивности. Для этого условно на квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к направлению поля, проводят число линий, равное или пропорциональное величине магнитной индукции в данном месте поля.

Направление магнитного поля связано с направлением тока. Эта связь устанавливается правилом буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий.

Электрическая сварочная дуга может отклоняться от своего нормального положения при действии магнитных полей, неравномерно и несимметрично расположенных вокруг дуги и в свариваемом изделии (рис. 4). Эти поля действуют на движущиеся заряженные частицы и тем самым оказывают воздействие на всю дугу. Такое явление называется магнитным дутьем. Воздействие магнитных полей на дугу прямо пропорционально квадрату силы тока и становится заметным при сварочных токах более 300 А.

Отклонение дуги
Рис. 4. Отклонение дуги постоянного тока под действием магнитного поля

Сварочная дуга - это своего рода проводник с током, имеющий свое магнитное поле. Сварочный ток, проходя по электроду и свариваемому металлу, создает также свое магнитное поле. Пока магнитные поля, окружающие дугу, симметричны по отношение к дуге, отсутствует электромагнитная сила и нет воздействия на дугу. Дуга при этом горит по кратчайшему расстоянию к поверхности свариваемого металла.

Несимметричное магнитное поле, окружающее дугу, вызывает отклонение дуги в сторону меньшей плотности магнитного поля, причем чем длиннее дуга, тем сильнее отклонение. Короткая дуга менее подвержена воздействию магнитного дутья.

Магнитное поле от сварочной дуги, возникающее в свариваемом металле, перемещается вместе с электродом и постоянно меняется, поскольку магнитное поле в основном металле распространяется не концентрически, по кратчайшему расстоянию, а по пути наименьшего сопротивления, обусловленного магнитной проницаемостью. Поэтому в начале и в конце сварного шва интенсивность магнитного поля между краем заготовки и электродом значительно выше.

Асимметрия магнитного поля вызывает магнитное дутье, которое отклоняет дугу вперед в начале сварного шва и назад - в конце сварного шва. В некоторых случаях отклонение дуги может происходить под некоторым углом в бок, как вправо, так и влево. Следует также учитывать, что в начале сварного шва магнитное поле проходит по наплавленному металлу, а с другой стороны электрода должно преодолеть воздушный зазор в корне шва, который имеет малую магнитную проницаемость. Поэтому магнитное дутье наиболее сильно проявляется в начале шва. Изменение полярности или направления сварки при сварке на постоянном токе не оказывают заметного влияния на магнитное дутье.

При сварке на переменном токе магнитное дутье существенно снижается, но тем не менее не устраняется полностью. Уменьшение магнитного дутья происходит в связи с тем, что переменный ток создает переменное магнитное поле в основном металле, что, в свою очередь, приводит к появлению вихревых токов. Магнитное поле вихревых токов, которое всегда направленное в противоположную сторону, стремится нейтрализовать магнитное поле дуги и магнитное поле, создаваемое проходящим в основном металле током, тем самым уменьшая отклонение дуги.

Магнитное дутье чаще всего возникает при сварке покрытыми электродами и при полуавтоматической и автоматической сварке магнитных материалов, таких как сталь, чугун, никель, но может проявляться и при сварке немагнитных материалов. Отклонение дуги от оси вызывает затруднения при сварке, увеличивает разбрызгивание электродного металла и ухудшает качество сварного шва.

Место подключения обратного провода имеет второстепенное значение, но может оказать воздействие на общую величину магнитного дутья. Наилучшие результаты дает подсоединение обратного провода к началу сварного шва. Иногда, для достижения наилучших результатов, обратный провод подсоединяют в конце сварного шва. Оптимальный вариант - подсоединение к обоим концам шва.

Для уменьшения магнитного дутья можно:

  • изменять направление магнитного потока, проходящего через сварное соединение, установив в начале и конце шва выводные планки, или применить обратноступенчатую сварку, или выполнять прерывистый шов;
  • создать внешнее магнитное поле, оборачивая заготовку сварочным кабелем, подводящим ток к электрододержателю;
  • при сварке покрытыми электродами произвести позиционирование электрода;
  • уменьшить сварочный ток;
  • оборачивать заготовку обратным проводом так, чтобы создаваемое им магнитное поле компенсировало действие магнитного поля, вызывающего отклонение дуги;
  • производить сварку на переменном токе, но это может потребовать изменения технологии сварки и замены электродов.

Особую трудность представляет сварка металла с остаточным намагничиванием, которое возникает, например, при подъеме заготовки электромагнитом. В некоторых случаях намагниченность заготовки может достигать такой величины, что делает сварку практически невозможной. Металл с остаточным намагничиванием перед сваркой необходимо размагнитить. Иногда удается компенсировать намагниченность металла, обматывая заготовку сварочным кабелем.

При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. Напряжение U и ток I периодически изменяются от нулевого значения до наибольшего. При переходе значения тока через нуль и перемене полярности в начале и в конце каждого полупериода дуга гаснет, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация газов и уменьшается электропроводность столба дуги. Интенсивнее падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с отводом теплоты в массу основного металла.

Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода возможно только при повышенном напряжении, называемом пиком зажигания. При этом установлено, что пик зажигания несколько выше, когда катодное пятно находится на основном металле. Для снижения пика зажигания, для облегчения повторного зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяются меры, снижающие эффективный потенциал ионизации газов в дуге. При этом электропроводность искрового промежутка (зоны дуги) после угасания дуги сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.

К этим мерам относится применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и т. п.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов.

Важное значение имеет сдвиг фаз между напряжением и током: необходимо, чтобы при переходе тока через нулевое значение напряжение было достаточным для возбуждения дуги.

Типы сварочных дуг

В зависимости от схемы подвода тока, рода тока, числа электродов и других признаков различают сварочные дуги прямого действия, косвенного действия, многоэлектродные и сжатые.

Дугой прямого действия (рис. 5а) называется дуговой разряд между электродом и заготовкой. Используется:

  • при дуговой сварке покрытыми электродами;
  • при сварке неплавящимся электродом в защитных газах;
  • при сварке плавящимся электродом под флюсом или в защитных газах.

В случае применения неплавящегося электрода соединение выполняют расплавлением основного и присадочного металлов. При использовании плавящегося электрода сварочная ванна заполняется металлом электрода.

Типы дуг
Рис. 5. Типы дуг: а - прямого действия; б - косвенного действия; в - сжатая; 1,4 - свариваемое изделие; 2 - дуга; 3 - электрод; 5 - сопло плазмотрона

Дуга косвенного действия (рис. 5б) представляет собой дуговой разряд между двумя неплавящимися или плавящимися электродами, а свариваемый металл не включен в электрическую цепь. Используется при специальных видах сварки и атомно-водородной сварке и наплавке.

Сжатая дуга (рис. 5в) - это дуга прямого или косвенного действия с неплавящимся вольфрамовым электродом, сжатая кольцевой струей газа. Сжатую дугу получают в специальных горелках - плазмотронах и применяют для резки и сварки металлов, в том числе и тугоплавких.

Сварка плавящимся электродом с использованием дуги прямого действия на постоянном или переменном токе получила наибольшее распространение в ремонтной практике. В качестве плавящегося электрода применяют металлический стержень необходимого химического состава, подаваемый в зону дуги по мере его расплавления. Наплавленный шов образуется из частично расплавленного основного металла и металла электрода.

Сварку неплавящимся электродом с использованием дуги прямого и, значительно реже, косвенного действия применяют при сварке тонколистового металла, а также при ремонте и изготовлении кузовов автомобилей. Наплавленный (сварочный) шов образуется за счет расплавления основного металла или основного и присадочного металла, вводимого в зону дуги. Сварку неплавящимся электродом, чтобы избежать перегрева электрода, ведут, как правило, постоянным током прямой полярности, т. е. электрод подключают к катоду.

По степени сжатия различают свободные и сжатые дуги.

Параметры режима дуговой сварки

Основные показатели сварочной дуги

Полная тепловая мощность Q (Дж/с) дуги определяется по формуле:

Q = Kм*Iсв*Uд

где Kм - коэффициент мощности (для постоянного тока К= 1; для переменного тока К= 0,8-0,95); Iсв - сила тока в сварочной цепи, А; Uд - напряжение дуги, В.

Выделяющаяся тепловая энергия расходуется на нагрев и плавление электродного и основного металлов, а также электродного покрытия или флюса, часть энергии рассеивается в окружающую среду.

Эффективная тепловая мощность. Эффективной тепловой мощность g (Дж/с) дуги называется количество теплоты, сообщенное свариваемому изделию дугой и расходуемое на нагрев и плавление электродного и присадочного металлов в единицу времени:

g = Kм*Iсв*Uд*Тт,

где Тт - эффективный КПД процесса нагрева металла дугой, который в зависимости от вида сварки имеет следующие значения: сварка электродами с тонким покрытием - 0,5-0,65; сварка электродами с толстым покрытием - 0,7-0,85; сварка неплавящимся электродом в защитных газах - 0,5-0,6; сварка под флюсом - 0,8-0,95.

Погонная энергия. Погонной энергией gн (Дж/с) сварки называется количество теплоты, сообщенное дугой изделию на единицу длины шва:

gн = g/vсв = Kм*Iсв*Uд*Тт/ vсв,

где vсв - скорость сварки

Количество расплавленного металла Gp (г) или наплавленного GH (г) в единицу времени электродного металла определяется по формуле

Gp = аp*Iсв*tсв,

где аp - коэффициент расплавления, г/А*ч; tсв - время горения дуги, ч.

Коэффициентом расплавления называется величина, соответствующая массе (г) электродного металла, расплавленного сварочным током силой 1 А за 1 ч горения дуги.

При плавлении часть электродного металла теряется на разбрызгивание, испарение и окисление, при этом потери электродного металла при ручной сварке тонкопокрытыми электродами составляют 10-20%, электродами с толстым покрытием - 5-10% и при сварке в защитных газах - 3-6%, соответственно, и масса наплавленного металла GH (г) будет меньше, чем расплавленного:

Gн = ан*Iсв*tсв

где ан - коэффициент наплавки, г/А*ч.

Коэффициент наплавки зависит от присадочного материала, материала электрода и его покрытия, рода и полярности тока, а также от потерь при сварке. Для ручной сварки он колеблется от 6 до 18 г/А*ч и составляет в среднем 8-12 г/А*ч.

Коэффициент потерь О (%), соответствующий количеству металла, теряемого на угар, испарение, разбрызгивание и т. п., зависит от состава проволоки, типа покрытия, режима сварки и т. д.; при увеличении плотности сварочного тока он возрастает. Числовое значение коэффициента потерь определяют по формуле:

О = [(aр-ан)/ар]*100,

В зависимости от вида сварки коэффициент потерь у имеет следующие значения (%): сварка электродами с тонким покрытием - 10-20; сварка электродами с толстым покрытием - 5-10; автоматическая сварка - 1-5.

Основные параметры дуговой сварки

К основным параметрам дуговой сварки относятся: ток дуги (сила сварочного тока Iсв, напряжение дуги Uд и скорость сварки vсв.

Ток дуги. Этот параметр в наибольшей степени определяет тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура плазмы столба дуги и стабилизируется положение активных пятен на электроде и на изделии. С увеличением силы сварочного тока увеличивается длина и ширина сварочной ванны, особенно интенсивно растет глубина проплавления. Это обусловлено не только увеличением тепловой мощности и сосредоточением энергии в пятне нагрева, но и значительным повышением давления дуги на сварочную ванну, которое пропорционально квадрату силы сварочного тока. В определенных пределах изменения тока глубина проплавления h может быть приблизительно оценена зависимостью, близкой к линейной:

h = k*Iсв*lд,

где k - коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и т. п.; lд - длина дуги.

При ручной сварке покрытым электродом скорость плавления электрода жестко связана с величиной сварочного тока, при этом при сварке различных видов сварных соединений и типов швов требуется неодинаковая скорость плавления электрода. В одних случаях она должна быть минимальной, в других, наоборот, максимальной.

При сварке стыковых соединений без разделки кромок и без зазора расплавленный металл электрода образует выпуклость сварного шва. По мере увеличения толщины свариваемых элементов для полного их проплавления необходимо увеличение силы сварочного тока, одновременно с этим увеличивается и количество расплавленного электродного металла. В результате образуются швы с чрезмерно большой выпуклостью. Для получения швов с нормальной выпуклостью следует снижать скорость плавления электрода или прибегать к разделке кромок.

При выполнении стыковых соединений с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов желательно увеличивать скорость плавления электрода, поскольку в этих случаях производительность процесса в значительной мере опреде¬ляется количеством электродного металла, расплавляющегося в единицу времени, необходимого для заполнения разделки или формирования угловых швов с заданным катетом.

При сварке неплавящимся электродом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой промежуток. Это в значительной мере облегчает условия горения дуги и обусловливает более высокую ее стабильность. Присадочный металл по мере необходимости подается в головную часть сварочной ванны. В отличие от сварки плавящимся электродом скорость плавления присадочного металла не связана жесткой зависимостью с величиной сварочного тока. Количество присадочного металла, подаваемого в ванну, выбирают из условия обеспечения требуемой доли участия присадочного металла в образовании шва. При сварке стыковых соединений без разделки кромок присадочный металл необходим в основном для образования сварочного валика.

Переход присадочного металла в сварочную ванну, минуя дуговой промежуток, исключает его разбрызгивание. Сокращаются потери на испарение и ограничивается взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой столба дуги.

При сварке неплавящимся электродом создаются благоприятные условия для зашиты ванны и формирования шва. Стойкость вольфрамового электрода в первую очередь определяется плотностью тока. Большое влияние оказывает род тока и полярность.

Напряжение дуги. С увеличением напряжения также возрастает тепловая мощность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Ширина ванны е связана с напряжением практически прямой зависимостью:

e = k*(Iсв*Uд)/( vсв*S)

где: S - толщина свариваемого металла; vсв - скорость сварки.

При постоянной величине сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления ванны. Это обусловлено некоторым снижением эффективного к.п.д. дуги и большими возможностями для блуждания активного пятна в сварочной ванне.

Скорость сварки. Скоростью сварки называется отношение длины l шва к времени tсв горения дуги, т. е.

vсв = l/tсв=(Iсв*aн)/( y*S)

где l - длина шва; tсв - время горения дуги; y - плотность наплавленного металла, г/см3; S - площадь сечения шва, см2.

При постоянной погонной энергии увеличение скорости сварки вызывает повышение термического КПД процесса, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию глубины проплавления и снижению ширины шва.

Дополнительные параметры дуговой сварки

Дополнительные параметры связаны с условиями ведения процесса сварки и особенностями горения дуги. Так, например, при одной и той же погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать импульсный и непрерывный режимы горения дуги. В некоторых случаях применяют сжатую дугу, а иногда колебания электрода. Эти особенности процесса также сказываются на формировании сварочной ванны и конечных размерах сварного шва.

Диаметр электрода. При постоянной величине сварочного тока диаметр электрода определяет плотность энергии в пятне нагрева и подвижность дуги. В связи с этим при увеличении диаметра электрода снижается глубина проплавления сварочной ванны и возрастает ее ширина.

Род тока и полярность. В зависимости от рода тока и полярности на изделии выделяется различное количество теплоты. Если теплоту, выделяющуюся на аноде (Wa) и катоде (Wk), приближенно оценивать по эффективному падению напряжений, то получим зависимости

Wa = Uаэ = Uа + (ф + 2*k*T);

Wk = Ukэ = Uk - (ф + 2*k*T).

где Uа и Uk - анодное и катодное падение напряжений; ф, k*T - потенциальная и термическая энергия электронов.

При сварке на переменном токе количество теплоты, выделяющееся на электроде и свариваемом изделии, равно, т. е. Wa = Wk.

На катоде не вся энергия Uk переходит в теплоту. Часть ее (ф + 2*k*T) уносится в плазму столба дуги. На аноде выделяется энергия Uа и прибавляется потенциальная и термическая энергия электронов. Количество теплоты, выделенное на катоде, зависит от потенциала ионизации дугового промежутка. Разница в тепловыделении на катоде и аноде определяет способ дуговой сварки. В реальных условиях при сварке на прямой полярности (анод на изделии) глубина проплавления оказывается меньше, чем при сварке на обратной полярности (катод на изделии). Это легко объясняется формой столба дуги. Анодное пятно занимает большую площадь по сравнению с катодным. Поэтому ширина ванны и шва при сварке на прямой полярности возрастает.

Угол наклона электрода. При ручной сварке покрытыми электродами, изменяя наклон электрода в плоскости продольной оси шва, можно существенно влиять на размеры сварочной ванны и шва. При А < 90° сварку выполняют углом вперед. Давление дуги вытесняет расплавленный металл в головную часть ванны. При этом глубина проплавления основного металла снижается. При А > 90° сварку выполняют углом назад. Давление дуги способствует интенсивному вытеснению расплавленного металла из головной части ванны в хвостовую. Глубина проплавления возрастает.

Колебание электрода. При поперечных колебаниях электрода возрастает ширина шва и снижается глубина проплавления. Изменяются условия кристаллизации и тепловой цикл в зоне термического влияния. Колебания электрода в процессе сварки обычно осуществляют с частотой 10-60 колебаний в минуту и с амплитудой 2-4 мм.

Сжатие столба дуги. При сварке сжатой дугой появляется новый дополнительный параметр режима сварки - степень сжатия дуги. С увеличением степени сжатия дуги увеличивается температура плазмы дуги, повышается концентрация теплоты в пятне нагрева, возрастает глубина проплавления и снижается ширина сварочной ванны и шва.

Импульсная подача тока. При импульсном горении дуги появляются два новых дополнительных параметра процесса: время импульса tи и время паузы tп. Тепловая энергия подводится только во время импульса. Оба этих параметра оказывают влияние на размеры сварочной ванны и шва. При неизменной погонной энергии в течение цикла (tц = tи + tп) увеличение времени паузы ужесточает режим. Значительно возрастает термический КПД процесса. Благодаря этому до определенных значений времени импульса растет глубина проплавления основного металла и снижается ширина шва.

[ Перейти к списку статей ]