Магнитные поля оказывают отклоняющее действие на дугу при неравномерном и несимметричном расположении поля относительно дуги. Наличие вблизи сварочной дуги значительных ферромагнитных масс нарушает симметричность магнитного поля дуги и вызывает отклонение дуги в сторону этих масс.
В некоторых случаях магнитное дутье затрудняет процесс сварки, и поэтому принимаются меры по снижению его действия на дугу. К таким мерам относятся:
• сварка короткой дугой;
• подвод сварочного тока в точке, максимально близкой к дуге;
• наклон электрода в сторону действия магнитного дутья;
• размещение у места сварки ферромагнитных масс.
При использовании переменного тока анодное и катодное пятна меняются местами с частотой, равной частоте тока. С течением времени напряжение и ток 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 происходят деионизация газов и уменьшение электропроводности 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 облегчения повторного зажигания, снижения пика зажигания дуги и повышения устойчивости ее горения применяют меры, позволяющие снизить эффективный потенциал ионизации газов в дуге. В этом случае электропроводность дуги после ее угасания сохраняется дольше, пик зажигания снижается, дуга легче возбуждается и горит устойчивее.
Применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.), вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов, относится к этим мерам.
Дуга, ее тепловая мощность
В тепловую энергию электрической дуги преобразуется энергия мощных потоков заряженных частиц, бомбардирующих катод и анод.
Суммарное количество теплоты Q (Дж), выделяемое дугой на катоде, аноде и столбе дуги, определяется по формуле:
Q=lсвUдt,
где: lсв – сварочный ток, А;
Uд – напряжение дуги, В;
t – время горения дуги, с.
При этом не вся теплота дуги затрачивается на расплавление металла, другими словами – на саму сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т. п.
Термином «тепловой баланс дуги» определяют характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода.
Наибольшее количество теплоты выделяется в зоне анода (42–43 %) при питании дуги постоянным током. Это объясняется тем, что анод подвергается более мощной бомбардировке заряженными частицами, чем катод, а при столкновении частиц в столбе дуги выделяется меньшая доля общего количества теплоты.
В столбе дуги среднее значение температуры составляет 600 °C. При сварке угольным электродом температура в катодной зоне достигает 3200 °C, в анодной – 3900 °C. При сварке металлическим электродом температура анодной зоны составляет около 2600 °C, а катодной – 2400 °C.
При решении технологических задач используются разная температура катодной и анодной зон и разное количество теплоты, выделяющееся в этих зонах. Прямую полярность, при которой анод (плюсовая клемма источника тока) подсоединяют к детали, а катод (минусовая клемма источника тока) – к электроду, применяют при сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок.
Сварку постоянным током обратной полярности применяют при сварке тонкостенных изделий, тонколистовых конструкций, а также сталей, не допускающих перегрева (нержавеющие, жаропрочные, высокоуглеродистые и др.). В этом случае катод подсоединяют к свариваемой детали, а анод – к электроду. При этом не только обеспечивается относительно меньший нагрев свариваемой детали, но и ускоряется процесс расплавления электродного материала за счет более высокой температуры анодной зоны и большего подвода теплоты. Полярность клемм источника постоянного тока может быть определена с помощью раствора поваренной соли (половина чайной ложки соли на стакан воды). Если в такой раствор опустить провода от клемм источника тока, то у отрицательного провода будет происходить бурное выделение пузырьков водорода.
Различие температур катодной и анодной зон и распределение теплоты сглаживаются вследствие периодической смены катодного и анодного пятен с частотой, равной частоте тока при питании дуги переменным током.
Практика показывает, что в среднем при ручной сварке только 60–70 % теплоты дуги расходуется на нагревание и плавление металла. Остальная часть теплоты рассеивается в окружающую среду через излучение и конвекцию.
Эффективной тепловой мощностью дуги называется количество теплоты, используемое на нагрев и плавку свариваемого металла в единицу времени. Она равна полной тепловой мощности дуги, умноженной на эффективный коэффициент полезного действия нагрева металла дугой. Коэффициент полезного действия зависит от способа варки, материала электрода, состава электродного покрытия и других факторов. При ручной дуговой сварке электродом с тонким покрытием или угольным электродом он составляет 0,5–0,6, а при качественных электродах – 0,7–0,85. При аргонодуговой сварке потери теплоты значительны и составляют 0,5–0,6.
Наиболее полно теплота используется при сварке под флюсом.
Для характеристики теплового режима процесса сварки принято определять погонную энергию дуги, иначе говоря, количество теплоты, вводимое в металл на единицу длины однопроходного шва, измеряемое в Дж/м. Погонная энергия равна отношению эффективной тепловой мощности к скорости сварки. Потери теплоты при ручной дуговой сварке составляют примерно 25 %, из которых 20 % уходят в окружающую среду дуги через излучение и конвекцию паров и газов, а остальные 5 % – на угар и разбрызгивание свариваемого металла. Потери теплоты при автоматической сварке под флюсом составляют только 17 %, из которых 16 % расходуется на плавление флюса, а на угар и разбрызгивание затрачивается около 1 % теплоты.
Эффективной тепловой мощностью дуги q (Дж/с) называют часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов. Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением:
q= IсвUдη,
где η является коэффициентом полезного действия дуги, представляющим собой соотношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности дуги.
Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов.
Данные значений для различных способов сварки приведены в таблице.
Эти данные показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом.
Процесс переноса электродного металла
За счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Джоуля-Ленца, при протекании сварочного тока по вылету электрода осуществляются нагрев и плавление электрода.
Вылетом называется свободный участок электрода от места контакта с токопроводом до его торца. В начальный момент ручной дуговой сварки вылет электрода составляет 400 мм и изменяется по мере плавления электрода, при автоматической сварке он равен 12–60 мм. Расплавляясь в процессе сварки, жидкий металл с торца электрода переходит в сварочную ванну в виде капель разного размера. За 1 секунду может переноситься от 1–2 до 150 капель и более в зависимости от размера. Независимо от основного положения сварки капли жидкого металла всегда перемещаются вдоль оси электрода по направлению к сварочной ванне. Это объясняется действием на каплю разных сил в дуге. В первую очередь к ним относятся гравитационная сила, электромагнитная сила, возникающая при прохождении по электроду сварочного тока, сила поверхностного натяжения, давление образующихся внутри капли газов, которые отрывают ее от электрода и дробят на более мелкие капли.
Схематично перенос металла электрода можно представить в следующем виде:
