✓ 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. 47) и др.
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.
Рис. 47. 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
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. 48.
Рис. 48. 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. 49).
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.
Рис. 49. Струйный процесс переноса электродного металла на изделие
Количество металла электрода, которое может быть расплавлено за конкретный промежуток времени, вычисляют по формуле:
Gр = Kр × I × t,
где Gр – количество расплавленного электродного металла;
Kр – 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 (Kн), который меньше первого на величину потерь металла электрода, которые составляют 1–3 г/А·ч.
Представленные коэффициенты необходимы для определения расхода электродов, а также для регламентации сварочных работ.
Техника дуговой сварки
Сварочные работы предполагают определенную подготовку деталей, которая включает в себя несколько операций:
✓ правку, которую осуществляют на станках или вручную. Например для правки листового и полосового металла применяют различные листоправильные вальцы (материал может быть в холодном состоянии или в горячем, если он сильно деформирован), а ручную правку проводят на чугунных или стальных правильных плитах, на которые помещают изделие и правят ударами кувалды или с помощью пресса;
✓ разметку, при которой с чертежа на металл переносят размеры деталей, т. е. таким образом намечают контуры будущего изделия. При этом основными являются измерительные инструменты и шаблоны. Размечая деталь, необходимо принимать во внимание, что при сварке происходит укорачивание деталей. Поэтому следует предусмотреть припуски – 1 мм на каждый поперечный стык и 0,1–0,2 мм на каждый погонный метр продольного шва;
✓ резку, которая бывает термической (для легированной стали, цветных металлов) или механической (роликовые ножницы с дисковыми ножами). Последний вариант целесообразнее, если детали или изделия, подготавливаемые к сварке, являются однотипными;
✓ очистку, которой подвергают и основной металл, и присадочный материал. Они должны быть полностью очищены от ржавчины, окалины, масляных и других загрязнений, поскольку наличие посторонних веществ приводит к образованию при сварке дефектов и снижению прочности шва и всего соединения. Особое внимание надо уделить кромке свариваемых элементов и изделий и прилегающей к ним полосы шириной 25–30 мм;
✓ тщательную подготовку кромок, форма которых бывает различной и определяется толщиной листов. Притупление кромок и зазор между ними должны быть равномерными по всей длине;
✓ сборку, на которую приходится примерно 30 % общей трудоемкости изготовления детали или конструкции. Для упрощения работы используют специальные приспособления, инструменты и шаблоны (рис. 50, 51).
