Во время применения постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (он служит катодом), а изделие – к положительному полюсу (оно служит анодом), т. е. ток идет от электрода к нагреваемому металлу. Во втором случае электрод (анод) подключают к положительному полюсу, а изделие (катод) – к отрицательному. Свободные электроны движутся от свариваемого металла через электрод, что ведет к сильному нагреву последнего. При одних и тех же параметрах источника сварочного тока температура на поверхности свариваемого металла при обратной полярности будет ниже, и этот эффект широко используют при сварке тонкой или высоколегированной стали.
Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление, а значит, тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300–2500 °C, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т. д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис. 6). Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный – для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный – для сварки в среде аргона.
Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющейся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны, так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр.
Рис. 6. Расплав и перенос электродного материала:
а – метод короткого замыкания (I – короткое замыкание; II – образование прослойки из жидкого металла; III – образование шейки; IV – возникновение дуги и образование газового облака вокруг столба дуги); б – капельный метод; в – струйный метод
Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют и размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей.
Магнитное дутье
При прохождении электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создается магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Газовый столб электрической дуги можно рассматривать как гибкий проводник электрического тока, подверженный воздействию результирующего магнитного поля, которое образуется в сварочном контуре.
Нормальная дуга бывает при симметричном относительно нее подводе тока (рис. 7, а). В этом случае собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги.
При несимметричном относительно дуги подводе тока к изделию вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении.
По внешним признакам это подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. При этом затрудняется и сам процесс сварки, нарушается стабильность горения дуги. Такое явление называют магнитным дутьем (рис. 7, б – в).
Массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух. Поскольку магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по среде с меньшим сопротивлением, дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 7, г).
Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, размещением у места сварки компенсирующих ферромагнитных масс, заменой постоянного сварочного тока переменным или использованием инверторных источников питания.
В качестве компенсирующих ферромагнитных масс на практике часто используют стальную плиту с присоединенным к ней токопроводом, которую укладывают на расстоянии 200–250 мм от места сварки.
На столб сварочной дуги действует также несимметричное магнитное поле, которое образует ток, протекающий в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токоподводу.
Отклонение дуги могут вызвать несимметричность обмазки электрода (рис. 7, д) и химическая неоднородность свариваемой стали (рис. 7, е).
На величину отклонения дуги влияет также угол наклона электрода, поэтому для его уменьшения электрод наклоняют в сторону отклонения дуги, а также уменьшают длину дуги.
Нередко при сварке наблюдается блуждание дуги – беспорядочное перемещение сварочной дуги по изделию, обусловливаемое влиянием загрязнения металла, потоков воздуха и магнитных полей. Особенно часто это наблюдается при сварке угольным электродом. Блуждание дуги ухудшает процесс формирования шва, поэтому для его устранения иногда используют постоянное продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом, расположенным вокруг электрода.
Рис. 7. Магнитное дутье:
а – нормальное положение; б – отклонение влево; в – отклонение вправо; г – действие ферромагнитной массы (пунктиром показана компенсирующая масса); д – несимметричность обмазки («козыряние» электрода); е – химическая неоднородность свариваемой стали
Образование сварочной ванны
Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла Pm, давления сварочной дуги Рd и сил поверхностного натяжения Рn представлен на рис. 8.
Рис. 8. Силы, действующие в сварочной ванне и формирование шва:
а – нижнее положение; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное; Vсв – направление сварки; 1 – подрез; 2 – наплыв
Распределение этих сил во многом зависит от расположения сварочного шва в пространстве. При нижнем расположении шва и при сквозном проплавлении жидкий металл удерживается в ванне силами поверхностного натяжения, которые уравновешивают силу тяжести Рm и давление, оказываемое на ванну источником теплоты Рd, т. е.Рn= Рm+Рd. Если это равновесие сил нарушается, то может произойти разрыв поверхностного слоя и металл вытечет из ванны, образуя прожог.
В реальных условиях, когда сварочная ванна перемещается вдоль шва, могут возникать дополнительные силы гидродинамического характера, перемещающие расплавленный металл в хвостовую часть ванны. Для того чтобы уравновесить все эти силы, удерживающие жидкий металл в объеме ванны, приходится принимать дополнительные меры: сварку на подкладках или других удерживающих приспособлениях. Особенно велико значение таких мер при вертикальном и потолочном расположении шва.
