Сварочная дуга бывает:
– устойчивой. Это означает, что она горит равномерно, а произвольные обрывы дуги, для устранения которых необходимо повторное зажигание, отсутствуют;
– неустойчивой. Наличие того, чего нет при устойчивой дуге, изменяет ее характер с точностью до наоборот.
Устойчивость дуги в основном определяется следующими факторами:
– род электрического тока. Он может быть постоянным и переменным;
– состав электродного покрытия. Повысить устойчивость горения сварочной дуги можно с помощью введения в покрытие и флюсы элементов с низким потенциалом ионизации, о которых говорилось ранее;
– полярность. При постоянном токе она бывает прямой и обратной. В первом случае минус источника тока подсоединяется к электроду, а во втором – к изделию. При работе угольным электродом предпочтительнее ток прямой полярности, поскольку при нем дуга легко загорается и отличается устойчивостью. Ток обратной полярности востребован при сварке тонких металлических листов и в других случаях, когда требуется уменьшить выделение тепла;
– длина дуги. Она равна расстоянию от торца электрода до поверхности сварочной ванны. Для стального электрода длина дуги составляет не более 2–4 мм. В этом случае она называется короткой. Для нее характернытакие качества, как устойчивое горение и оптимальное протекание сварочного процесса.
Дуга длиной 4–6 мм считается нормальной, более 6 мм – длинной. В последнем случае отмечается ряд негативных явлений: во-первых, плавление происходит неравномерно, дуга неустойчивая; во-вторых, капли металла, капающие с электрода, могут подвергаться окислению кислородом и насыщению азотом из атмосферного воздуха; в-третьих, наплавленный металл приобретает пористость, а шов – неровную поверхность; в-четвертых, падает производительность, возрастает разбрызгивание жидкого металла, возникают непроваренные участки.
Сварочную дугу можно классифицировать не только по принципу действия (прямого, косвенного и комбинированного), длине, родутока, полярности постоянного тока или виду электрода, но и по таким признакам, как:
– длительность горения. Различаются стационарная и импульсная дуга;
– степень сжатия. Дуга может быть свободной и сжатой;
– характер среды, в которой происходит сварка. Дуга бывает открытой (горение происходит в атмосферном воздухе) или закрытой (если она возникает под флюсом либо в среде защитных газов);
– тип статической вольт-амперной характеристики (так называется зависимость падения напряжения в сварочной дуге от силы тока в условиях постоянной длины дуги).
По этому параметру выделяются дуги с жесткой (падение напряжение не зависит от силы тока), падающей (увеличение силы тока приводит к уменьшению падения напряжения) и возрастающей (напряжение возрастает при увеличении тока)характеристикой.
При сварке вокруг дуги и в металле изделия создаются магнитные поля. Если они несимметричны, тогда под их воздействием дуга отклоняется, затрудняя процесс. Действие магнитных полей, в результате которого дуговой разряд отклоняется, называется магнитным дутьем.
Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, что объясняет такое явление: магнитное дутье усиливается, если вести сварку с применением постоянного тока силой более 300–400 А, в то время как сварка переменным током протекает с менее выраженным магнитным дутьем. Имеют значение и другие факторы, в частности использование флюса, тонко– и толстопокрытых электродов.
Величина магнитного дутья зависит и от других условий, среди которых следующие:
– нахождение ферримагнитных масс в непосредственной близости от зоны сварки;
– тип сварного соединения;
– наличие зазора между кромками;
– точка подведения электрического тока к изделию (рис. 57) и др.
Рис. 57. Отклонение сварочной дуги вследствие магнитного дутья в зависимости от места подведения тока: а – нормальное положение дуги; б – отклонение дуги в левую сторону; в – отклонение дуги в правую сторону
Поскольку магнитное дутье может создавать трудности при выполнении сварки, для нейтрализации или уменьшения влияния предпринимают соответствующие меры, в частности:
– ведут сварку короткой дугой;
– подводят сварочный ток как можно ближе к дуге;
– варят, наклоняя электрод в сторону действия магнитного дутья, и др.
В процессе сварки плавящийся электродный металл постепенно перетекает в сварочную ванну. Это происходит следующим образом:
1) под воздействием высокой температуры сварочной дуги электродный металл расплавляется, например электроду длиной 450 мм для этого достаточно 1,5–2 минут;
2) в результате действия сил поверхностного натяжения и гравитации жидкий металл электрода принимает форму капли, в основании которой образуется тонкая шейка;
3) шейка капли постепенно утончается, что сопровождается увеличением плотности тока в шейке, и удлиняется вплоть до момента касания поверхности основного металла;
4) касание предшествует короткому замыканию, резкому увеличению тока, разрыву шейки капли и возбуждению дуги между электродом и каплей. В результате давления паров и газов она быстро погружается в расплавленный металл сварочной ванны, разбрызгивая некоторую часть материала, после чего весь процесс повторяется с начала (при ручной дуговой сварке каплями переносятся 95 % металла электрода, а 5 % разбрызгиваются). За 1 секунду с электрода на изделие переносится 20–50 капель приблизительно одинакового размера.
Плавление и перенос металла в сварочной дуге показаны на рис. 58.
Рис. 58. Капельный перенос электродного металла на изделие: а – образование слоя расплавленного металла на конце электрода; б – формирование капли; в – касание капли поверхности сварочной ванны; г – возбуждение новой дуги
Время, в течение которого происходят горение дуги и короткое замыкание, составляет приблизительно 0,02-0,05 секунды. Форма капель и их размер зависят от ряда факторов, к которым относятся:
– сила тяжести и сила поверхностного натяжения. При наложении нижнего шва сила тяжести помогает отрыву капли и переносу электродного металла в сварной шов, а при выполнении потолочного шва, напротив, препятствует;
– состав и толщина электродного покрытия, которое снижает поверхностное натяжение примерно на 20–30 %;
– величина сварочного тока;
– диаметр электрода;
– длина дуги и т. д.
При расплавлении покрытия электрода выделяется значительное количество газов, благодаря которым давление в зоне дуги повышается, что приводит к размельчению капель расплавленного металла. С повышением сварочного тока капли уменьшаются в размере. Перенос металла электрода в сварочную ванну крупными каплями наблюдается при сварке на малых токах с применением тонкопокрытых электродов. При увеличении плотности сварочного тока и применении толстопокрытых электродов перенос электродного металла в сварочную ванну напоминает поток мельчайших капель, которые следуют друг за другом. Поэтому данный процесс называется струйным переносом металла (рис. 59).
Рис. 59. Струйный процесс переноса электродного металла на изделие
При этом снижается выгорание легирующих веществ в сварочной проволоке, а чистота металла шва возрастает. Это основное преимущество струйного переноса электродного металла по сравнению с капельным. Но при использовании штучных электродов это невозможно, поскольку плотность тока на электроде не превышает 10–20 А/мм2.
Количество металла электрода, которое может быть расплавлено за конкретный промежуток времени, вычисляют по формуле:
Gр = Кр х I х t,
где Gр – количество расплавленного электродного металла;
Кр – коэффициент расплавления;
I – величина сварочного тока;
t – время горения сварочной дуги.
Между представленными величинами существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше величина тока, чем дольше горит сварочная дуга, тем больше электродного металла будет расплавлено и перенесено. Коэффициент расплавления – это количество расплавленного электродного металла в граммах за 1 час, приходящееся на 1 А сварочного тока. Для стальных электродов этот показатель составляет 8-14 г/А·ч и определяется следующими факторами:
– материал, из которого изготовлен электрод;
– состав электродного покрытия;
– род и полярность тока.
При сварке неизбежны потери жидкого металла, которые возникают в результате разбрызгивания, испарения и окисления кислородом расплавленного металла. Следовательно, в наплавленный металл сварного шва переносится лишь часть металла электрода. Чтобы вычислить количество наплавленного металла, в формуле следует заменить коэффициент расплавления коэффициентом наплавки (Кн), который меньше первого на величину потерь металла электрода, которые составляют 1–3 г/А·ч.
