1) металл на конце электрода подплавляется и образуется слой расплавленного металла;
2) под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести этот слой металла принимает форму капли с образованием у основания тонкой шейки.
С течением времени поперечное сечение шейки капли уменьшается, что приводит к значительному увеличению плотности тока у шейки капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи. Резкое возрастание тока приводит к разрыву шейки и в следующее мгновение вновь возникает, но уже между торцом электрода и каплей.
Капля под давлением паров и газов зоны дуги с ускорением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки. Затем процесс каплеобразования повторяется. Время горения дуги и короткого замыкания составляет примерно 0,02–0,05 с. Частота и продолжительность короткого замыкания в значительной степени зависят от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше коротких замыканий и тем они продолжительнее.
От сварочного тока, состава и толщины электродного покрытия, положения шва зависят форма и размеры капель металла. Перенос электродного металла крупными каплями происходит при сварке на малых токах электродами с тонким покрытием.
Перенос металла в виде потока мельчайших капель происходит при больших плотностях сварочного тока и при использовании электродов с толстым покрытием.
Снижает поверхностное натяжение металла электродное покрытие. Кроме того, газообразующие компоненты, выделяя большое количество газов, создают в зоне дуги повышенное давление, которое способствует размельчению капель жидкого металла.
Газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на процесс переноса капель металла в дуге. При сварке электродом с толстым покрытием стержень электрода плавится быстрее и торец его оказывается немного прикрытым «чехольчиком» покрытия. При этом интенсивное газообразование в небольшом объеме «чехольчика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну.
Влияние силы тяжести особенно сказывается при сварке нижних швов (способствует отрыву капель) и потолочных швов (препятствует переносу металла в шов).
Важным фактором, влияющим на перенос металла в дуге, являются электромагнитные силы. Плотность тока, проходящего через жидкую каплю, велика, поэтому сжимающее действие магнитного поля оказывается заметным. Магнитное поле ускоряет образование и сужение шейки капли, а следовательно, и отрыв ее от торца электрода. Электрическое поле, напряженность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на жидкую каплю, ускоряя процесс отрыва капель от торца электрода и переход ее в сварочную ванну металла.
При потолочной сварке действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге обеспечивается перенос капель электродного металла на свариваемый шов.
Шлаковую оболочку, которая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода, имеют капли металла, проходящие через дугу. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспечивая хорошее качество металла шва.
Доля электродного металла в составе металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла колеблется в широких пределах (30–80 %), при автоматической сварке она составляет 30–40 %.
В значительной степени производительность сварки зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления. Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла (г), расплавленного в течение одного часа, приходящегося на один ампер сварочного тока. Коэффициент расплавления зависит от ряда факторов, влияющих на процесс плавки электродного металла. При обратной полярности коэффициент расплавления больше, чем при прямой полярности, так как на аноде выделяется больше теплоты и температура анода выше, чем у катода.
На коэффициент расплавления влияют состав покрытия и его толщина. Это объясняется, во-первых, значением эффективного потенциала ионизации газов, во-вторых, изменением баланса теплоты дугового промежутка. Коэффициент расплавления при ручной дуговой сварке составляет 6,5–14,5 г/(А×ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, а большие значения – электроды с толстым покрытием.
Коэффициентом наплавки пользуются для оценки скорости сварки шва. Этот коэффициент оценивает количество электродного металла, введенного в свариваемый шов.
Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на величину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25–30 %, при автоматической сварке под флюсом потери составляют только 2–6 % от количества расплавленного электродного металла. Знание этих коэффициентов позволяет произвести расчет количества электродного металла для сварки шва установленного сечения и определить скорость сварки шва.
Глава 7
Дуга. Источники ее питания
Требования к источникам питания дуги
Для осуществления устойчивого дугового разряда между электродом и свариваемым изделием необходимо подвести напряжение от специального источника питания электрическим током. Такой источник должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое горение ее в установившемся режиме сварки, регулирование мощности (силы тока). При этом важным условием получения сварного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источники питания дуги должны обеспечить возбуждение и стабильное горение дуги.
С короткого замыкания сварочной цепи (контакта между электродом и деталью) начинается возбуждение сварочной дуги. При этом происходит выделение теплоты и быстрое разогревание места контакта. Эта начальная стадия требует повышенного напряжения сварочного тока. В дальнейшем происходит некоторое уменьшение сопротивления дугового промежутка (вследствие эмиссии электронов с катода и появления объемной ионизации газов в дуге), что вызывает снижение напряжения до предела, необходимого для поддержания устойчивого горения дуги.
Очень частые короткие замыкания сварочной цепи происходят в процессе сварки при переходе капель электродного металла в сварочную ванну. Вместе с этим изменяется длина сварочной дуги. При каждом коротком замыкании напряжение падает до нулевого значения. Для последующего восстановления дуги необходимо напряжение порядка 25–30 В. Такое напряжение должно быть обеспечено за время не более 0,05 с, чтобы поддержать горение дуги в период между короткими замыканиями.
При этом следует учесть, что при коротких замыканиях сварочной цепи развиваются большие токи (токи короткого замыкания), которые могут вызвать перегрев в проводке и обмотках источника тока.
Эти условия процесса сварки определили требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Для обеспечения устойчивого процесса сварки источники питания дуги должны удовлетворять следующим требованиям:
• напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого возбуждения дуги и в то же время не должно превышать норм безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода установлено для источников постоянного тока 90 В; для источников переменного тока – 80 В;
• напряжение устойчивого горения дуги (рабочее напряжение) должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением – быстро падать. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания (при капельном переносе металла от электрода к свариваемой детали) должно быть менее 0,05 с;
• ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40–50 %. При этом источник тока должен выдерживать продолжительные короткие замыкания сварочной цепи. Это условие необходимо для предохранения обмоток источника тока от перегрева и повреждения;
• мощность источника тока должна быть достаточной для выполнения сварочных работ.
Типы источников питания сварочной дуги, выпускаемые промышленностью: сварочные трансформаторы, сварочные аппараты переменного тока, сварочные выпрямители.
Трансформатором называют электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Работа трансформатора основана на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких не связанных между собой обмоток провода.
