Влияние полярности дуги на плавление электродов. Влияние условий горения дуги на процесс плавления электродов

5.1 Цель работы

Изучение влияния параметров режима сварки на процесс плавления элек­тродов, ознакомление с методикой экспериментального определения характе­ристик расплавления электродов.

Теоретическое введение

Тепло, вводимое сварочной дугой в электрод, затрачивается на нагрев и расплавление электродного стержня и электродного покрытия. Процесс плав­ления электродного стержня и переход расплавленного металла в сварочную ванну зависит от ряда факторов: величины, рода и полярности тока, состава электродного покрытия и стержня, положения сварного шва в пространстве и т.п. Свойства электрода, характеризующие производительность его расплавле­ния, оценивают коэффициентом расплавления α р, определяемым по формуле

где g p – масса расплавленного металла, г;

I – ток сварки, А;

t – время плавления электрода.

При сварке наблюдаются потери жидкого металла вследствие его окисле­ния воздухом и через шлак, а также в результате испарения и разбрызгивания за пределы сварочной ванны. Потери на угар и разбрызгивание оцениваются коэффициентом потерь

Потери на угар и разбрызгивание колеблются в довольно широких пределах в зависимости от различных факторов. Для ручной дуговой сварки коэф­фициент расплавления в зависимости от конкретной марки электрода составляет 8-15 г/А·ч, коэффициент потерь – 5-30 %; для автоматической сварки под слоем флюса – α р = 13-23 г/А·ч, ψ = 2-4 % .

Увеличение сварочного тока приводит к повышению температуры столба дуги и интенсивности расплавления электрода и, как следствие, к увеличению α р. При больших плотностях тока переход капель металла с электрода в шов может носить струйный характер, что уменьшает потери на разбрызгивание.

При сварке на обратной полярности производительность расплавления существенно выше, чем при сварке на переменном токе и при прямой полярно­сти. Это объясняется тем, что на аноде выделяется в 2-3 раза больше теплоты, чем на катоде, за счет бомбардировки анода быстрыми электронами, в то время, как на катоде затрачивается энергия на их эмиссию.

На величины α р и ψ оказывают влияние тип электрода и состав стержня, что определяет состав атмосферы столба дуги и, как следствие, эффективный потенциал ионизации. В свою очередь, изменение эффективного потенциала ионизации ведет к изменению температуры столба дуги в соответствии с эмпи­рической формулой, применимой для ручной дуговой сварки

T = 800U эф (5.3)

Увеличение температуры столба дуги ведет к увеличению количества обра­зующихся газов, повышает их давление в капле электродного металла и, в конечном итоге, может привести к усилению разбрызгивания.

Коэффициент α р существенно зависит от температуры нагрева электрод­ного стержня. Нагрев электродного стержня джоулевым теплом ускоряет его плавление в дуговом разряде и α р увеличивается, при этом величина ψ практи­чески не меняется. При автоматической и полуавтоматической сварке для уве­личения α р широко применяется сварка с увеличенным вылетом проволоки (расстоянием между токоподводящим мундштуком н изделием). Увеличение вылета ведет к увеличению сопротивления проволоки и, как следствие, повы­шению температуры ее нагрева. При ручной дуговой сварке непостоянство α р в процессе горения электродного стержня может привести к нарушению режима формирования шва, поэтому максимальная сила тока для каждого диаметра электрода конкретной марки строго ограничена. Равномерности плавления электрода способствует увеличение толщины электродного покрытия, т.к. оно не проводит тока, не нагревается джоулевым теплом и охлаждает стержень электрода.

Оборудование и материалы

1. Посты ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токах, укомплектованные приборами для измерения тока сварки.

2. Технические весы с разновесом.

3. Секундомер.

4. Штангенциркуль и линейка.

5. Сварочные электроды МР-3 Æ4 мм.

6. Пластины из малоуглеродистой стали.

Порядок проведения работы

1. Очистить, замаркировать и взвесить пластины, предназначенные для наплавки.

2. Подготовить электроды, замаркировать, определить диаметр и началь­ную длину электродного стержня.

3. Для каждой марки электрода определить массу l погонного сантиметра электродного стержня, которая равна массе очищенного от обмазки электрод­ного стержня, деленной на его длину.

4. Произвести наплавку валика на пластину электродом по­стоянным током обратной полярности. В процессе наплавки фиксировать вре­мя горения дуги и силу тока (рекомендуемая сила тока для всех вариантов опы­тов – 120-200 А) с последующим занесением в таблицу 5.1.

5. После наплавки охладить, высушить, зачистить от шлака и взвесить пластину. Определить массу наплавленного металла и результат занести в таблицу 5.1.

6. Замерить длину оставшейся после наплавки части электрода и рассчи­тать массу расплавленного металла с последующим занесением в таблицу 5.1.

7. Вычислить характеристики расплавления электрода с последующим занесением в таблицу 5.1.

8. Опыт по п.4 повторить при измененных значениях силы тока 2 раза.

9. Опыт по п.4 повторить для прямой полярности и переменного тока.

Сварка электрической дугой, по сравнению с газовой сваркой, имеет некоторые особенности. Это и более высокая, до 5000°С, температура самой дуги, что превосходит температуры плавления всех существующих металлов, и большое разнообразие видов и типов сварки, а, соответственно, методов и целей её применения. Электродуговая сварка различается по степени механизации, по роду тока, по типу дуги и свойствам сварочного электрода, а также другим параметрам. В данной статье хотелось бы рассмотреть некоторые нюансы электродуговой сварки в зависимости от полярности сварочных электродов.

Виды сварки.

По роду используемого тока различают два вида дуговой сварки:

• сварка электрической дугой, питаемой переменным током;

• сварка электрической дугой, питаемой постоянным током.

В свою очередь, сварка с использованием постоянного тока бывает двух типов:

• сварка током прямой полярности;

• сварка током обратной полярности.

Рассмотрим особенности каждого типа сварки постоянным током подробнее.

Сварка током прямой полярности.

Под сваркой прямой полярности принято понимать сварку, при проведении которой на свариваемую деталь (изделие) подаётся положительный заряд от сварочного выпрямителя, то есть сварочный кабель соединяет свариваемую конструкцию с клеммой "плюс" сварочного аппарата. На электрод же подаётся отрицательный заряд через электрододержатель, соединённый кабелем с минусовой клеммой.

Поскольку на положительном полюсе (аноде) температура всегда значительно более высокая, чем на отрицательном (катоде), ток прямой полярности рекомендуется применять при необходимости резки металлоконструкций и сварке толстостенных деталей, а также в иных случаях, когда требуется добиться большого выделения тепла, что как раз и является характерной особенностью такого типа подключения.

Сварка током обратной полярности.

Для проведения сварки током обратной полярности подключение следует провести противоположным образом: на свариваемую деталь подать отрицательный заряд с клеммы "минус", а на электрод - положительный заряд с клеммы "плюс".

Такая полярность сварочных электродов обеспечивает обратную прямому подключению ситуацию - больше тепла выделяется на электроде, а нагрев детали сравнительно уменьшается. Это позволяет производить более "деликатную" сварку и уменьшает вероятность прожига детали. Соответственно, сварку током обратной полярности рекомендуется применять при необходимости сваривания тонких листов металла, нержавеющей, легированной стали, иных сталей и сплавов, чувствительных к перегреву.

Также, электродуговая сварка под флюсом и сварка с газовой защитой, как правило, производится с использованием подключения обратной полярности.

Общие аспекты.

Вне зависимости от того, какая конкретно полярность сварочных электродов используется, есть несколько общих моментов:

• в отличие от сварки переменным током, при использовании постоянного тока получается более "аккуратный" с меньшим количеством брызг металла, сварочный шов, так как отсутствует частая смена полярности подаваемого тока;
• поскольку анод и катод нагреваются по-разному, кроме всего прочего, если используется плавящийся электрод, то от метода подключения зависит количество металла, переносимого с плавящегося электрода на деталь;
• во избежание повреждения свариваемой детали в месте подсоединения кабеля с положительным либо отрицательным зарядом вследствие возникновения микроразрядов - рекомендуется для более надёжного соединения использовать прижимную струбцину.

В заключение хотелось бы отметить, что в данной статье раскрыты лишь некоторые моменты, касающиеся сварки с применением электрической дуги. На практике эта тема значительно шире, и многообразие видов электросварки позволяет использовать её практически в любых, подчас уникальных условиях и технических ситуациях.

Механизированная дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитного газа - это разновидность электрической дуговой сварки, при которой электродная проволока подается автоматически с постоянной скоростью, а сварочная горелка перемещается вдоль шва вручную. При этом дуга, вылет электродной проволоки, ванна расплавленного металла и ее застывающая часть защищены от воздействия окружающего воздуха защитным газом, подаваемым в зону сварки.

Главными компонентами этого процесса сварки являются:

Источник питания, который обеспечивает дугу электрической энергией;
- подающий механизм, который подает в дугу с постоянной скоростью электродную проволоку, которая плавится теплом дуги;
- защитный газ.

Дуга горит между изделием и плавящейся электродной проволокой, которая непрерывно поступает в дугу и которая служит присадочным металлом. Дуга расплавляет кромки деталей и проволоку, металл которой переходит на изделие в образующуюся сварочную ванну, где металл электродной проволоки перемешивается с металлом изделия (то есть основным металлом). По мере перемещения дуги расплавленный (жидкий) металл сварочной ванны затвердевает (то есть кристаллизируется), образуя сварной шов, соединяющий кромки деталей. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности, когда плюсовая клемма источника питания подключается к горелке, а минусовая – к изделию. Иногда применяется и прямая полярность тока сварки.

В качестве источника питания используются сварочные выпрямители, которые должны иметь жесткую или пологопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику. Такая характеристика обеспечивает автоматическое восстановление заданной длины дуги при ее нарушениях, например, из-за колебаний руки сварщика (это, так называемое саморегулирование длины дуги). Более подробно источники питания для сварки МИГ/МАГ изложены в статье .

В качестве плавящегося электрода может применяться электродная проволока сплошного сечения и трубчатого сечения. Проволока трубчатого сечения заполнена внутри порошком из легирующих, шлако- и газообразующих веществ. Такая проволока называется порошковой, а процесс сварки, при котором она используется, - сварка порошковой проволокой.

Имеется довольно широкий выбор сварочных электродных проволок для сварки в защитных газах, отличающихся по химическому составу и диаметру. Выбор химического состава электродной проволоки зависит от материала изделия и, в некоторой степени, от типа применяемого защитного газа. Химический состав электродной проволоки должен быть близким к химическому составу основного металла. Диаметр электродной проволоки зависит от толщины основного металла, типа сварного соединения и положения сварки.

Основное назначение защитного газа – предотвращение прямого контакта окружающего воздуха с металлом сварочной ванны, вылетом электрода и дугой. Защитный газ влияет на стабильность горения дуги, форму сварного шва, глубину проплавления и прочностные характеристики металла шва. Более подробная информация о защитных газах, а также о сварочных проволоках приведена в статье .

Разновидности процесса сварки МИГ/МАГ

В Европе сварка плавящимся электродом в защитных газах носит краткое название MIG/MAG (МИГ/МАГ). MIG (МИГ) означает "Металл Инертный Газ". При этой разновидности процесса используется инертный (неактивный) газ, т.е. такой который не реагирует химически с металлом сварочной ванны, например аргон или гелий. Как правило, при сварке в чистом инертном газе, несмотря на хорошую защиту сварочной зоны от воздействия окружающего воздуха, формирование сварного шва ухудшается, а дуга становится нестабильной. Этих недостатков можно избежать если применять смеси инертных газов с небольшими добавками (до 1 - 2%) таких активных газов, как кислород или углекислый газ (СО 2).

MAG (МАГ) означает "Металл Активный Газ". К этой разновидности сварки в защитных газах относится сварка в смесях инертных газов с кислородом или углекислым газом, содержание которых составляет 5 – 30%. При таком содержании кислорода или углекислого газа смесь становится активной, т.е. она влияет на протекание физико-химических процессов в дуге и сварочной ванне. Сварку малоуглеродистых сталей можно производить в среде чистого углекислого газа (СО 2). В некоторых случаях использование чистого углекислого газа обеспечивает лучшую форму проплавления и снижает склонность к порообразованию.

Так как при данном способе сварки электродная проволока подается автоматически, а сварочная горелка перемещается вдоль шва вручную, этот способ сварки называется механизированным, а сварочная установка – механизированным аппаратом (сварочным полуавтоматом). Однако сварку в защитных газах можно выполнять также и в автоматическом режиме, когда используются передвижные тележки или передвижные сварочные головки.

Области применения

Процессы сварки МИГ или МАГ подходят для сварки всех обычных металлов, таких как нелегированные и низколегированные стали, нержавеющие стали, алюминий и некоторые другие цветные металлы. Более того, этот процесс сварки может быть использован во всех пространственных положениях. Благодаря своим многочисленным преимуществам сварка МИГ/МАГ находит широкое применение во многих областях промышленности.

Сварочный механизированный аппарат для сварки МИГ/МАГ

В его состав входят:

Источник питания сварочной дуги;
- механизм подачи электродной проволоки;
- сварочная горелка;
- пульт управления аппаратом (объединенный с источником питания и иногда с механизм подачи электродной проволоки).

Типичный внешний вид сварочного механизированного аппарата для сварки МИГ/МАГ

Источник питания предназначен для обеспечения сварочной дуги электрической энергией, обеспечивающей ее функционирование как источника тепла. В зависимости от особенностей конкретного сварочного процесса источник питания должен обладать определенными характеристиками (требуемой формой внешней вольт-амперной характеристики - ВВАХ, индуктивностью, определенной величиной напряжения холостого хода и тока короткого замыкания, требуемыми диапазонами тока сварки и напряжения дуги, и др.). Для сварки МИГ/МАГ используются источники питания постоянного тока (выпрямители или генераторы) с жесткой (пологопадающей) ВВАХ. Диапазон токов сварки, которые обеспечивают источники питания аппаратов для механизированной сварки, составляет 50 - 500 А. Но, как правило, используются режимы в диапазоне 100 – 300 А. Более подробно об источниках питания для дуговой сварки изложено в Источники питания для дуговой сварки

Механизм подачи электродной проволоки предназначен для подачи в дугу плавящейся электродной проволоки с заданной скоростью. Основные узлы механизма подачи электродной проволоки показаны на рисунке ниже.

Через разъем подключения сварочной горелки и механизма подачи обеспечивается подвод в зону сварки электродной проволоки и защитного газа, а также производится подключение кнопки "Пуск – Стоп" на горелке к схеме управления механизма подачи. Разъем, показанный на рисунке ниже, является стандартным евро-разъемом. На практике могут встретиться и другие типы разъемов.

Обязательным элементом пульта управления механизма подачи является регулятор скорости подачи электродной проволоки. Иногда, для удобства регулирования параметров режима сварки, особенно в случае использования переносных механизмов подачи, на этом пульте может размещаться и регулятор напряжения дуги, как в случае представленном на рисунке.

Для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах (МИГ/МАГ) используются два типа механизмов подачи:

С 2-х роликовым приводом;
- с 4-х роликовым приводом.

На рисунках ниже слева показан один из 2-х роликовых приводов механизма подачи (верхний ролик – прижимной). Приводы этого типа используются для протяжки только стальной проволоки сплошного сечения. На этом же рисунке справа показан пример механизма подачи с 4-х роликовым приводом, который рекомендуется для протяжки порошковых проволок и проволок из мягких материалов (алюминия, магния, меди), так как он обеспечивает стабильную протяжку проволоки при меньших усилиях прижатия прижимных роликов, что предотвращает смятие проволоки.

В современных приводах механизма подачи, как правило, используются ролики специальной конструкции – с приводной шестерней. Таким образом, после прижатия прижимного ролика к ведущему ролику и ввода их шестерен в зацепление, передача тянущего усилия от привода подачи к электродной проволоке осуществляется через оба ролика.

Профиль роликов механизма подачи (т.е. форма поверхности или канавки) зависит от материала и конструкции сварочной проволоки. Для стальной проволоки сплошного сечения используются прижимные ролики с плоской поверхностью или с насечкой, а также с V-образной канавкой, а ведущие ролики - с V-образной канавкой и иногда с насечкой.

Для проволок из мягких материалов (алюминия, магния, меди) используются ролики с U-образной иди V-образной гладкой канавкой. Ролики с насечкой использовать не допускается, так как они вызывают образование мелкой стружки, которая забивает направляющий канал в горелке.

Для порошковой проволоки используются ролики с V-образной гладкой канавкой (в 4-х роликовых приводах механизма подачи) или с V-образной канавкой с насечкой.

Ролики различаются глубиной канавки в зависимости от диаметра проволоки. Номинальный диаметр электродной проволоки для данного ролика указывается на его боковой поверхности.

Механизмы подачи изготавливают нескольких типов:

- в едином корпусе с источником питания (для компактности)

- размещаемыми на источнике питания (для аппаратов повышенной мощности)

- переносными (для расширения зоны обслуживания сварки)

Механизм подачи электродной проволоки может быть также вмонтирован в горелку. При этом электродная проволока проталкивается стандартным механизмом подачи по шлангу и одновременно вытягивается из него механизмом горелки. Такая система ("тяни-толкай") позволяет использовать горелки со значительно более длинными шлангами.

В некоторых механизмах подачи бобина для электродной проволоки размещается снаружи. Это облегчает процедуру ее замены. Это важно для случаев, когда из-за интенсивного режима работы, проволока в бобине быстро заканчивается.

Предусмотренное в механизмах подачи устройство торможения бобины предотвращает ее самопроизвольное разматывание.

Пульт управления аппаратом предназначен для регулирования скорости подачи электродной проволоки и напряжения холостого хода (напряжения дуги), программирования цикла сварки (времени предварительной продувки газа, времени продувки газа после выключения тока сварки, параметров "мягкого старта" и т.п.), установки параметров импульсного режима сварки, настройки синергетического управления процессом сварки и для других функций.

Пульт управления сварочным механизированным аппаратом с отдельным механизмом подачи электродной проволоки может быть разделенным; часть органов управления размещаются на лицевой панели источника питания (это, в первую очередь, кнопка включения питания, регулятор напряжения дуги и др.), а часть на лицевой панели механизма подачи (например, регулятор скорости подачи электродной проволоки).

Некоторые органы управления (в первую очередь, напряжением дуги и скоростью подачи электродной проволоки), а также индикаторы параметров режима сварки могут размещаться на рукоятке сварочной горелки.

На фото ниже показаны некоторые типы пультов дистанционного управления (от простого к сложному) .

– предназначена для направления в зону дуги электродной проволоки, подвода к ней сварочного тока, подачи защитного газа и управления процессом сварки.

Обычно сварочные горелки для сварки МИГ/МАГ имеют естественное воздушное охлаждение. Однако, для сварки на повышенных режимах используются также горелки с принудительным водяным охлаждением силового кабеля в шланге горелки и головной части сварочной горелки вплоть до газового сопла.

На одном конце шланга горелки установлен разъем для подключения к механизму подачи. Через разъем подключения сварочной горелки и механизма подачи обеспечивается подвод в зону сварки электродной проволоки и защитного газа, подвод тока сварки к дуге, а также производится подключение кнопки "Пуск – Стоп" на горелке к схеме управления механизма подачи. В самом шланге имеется спираль, по которой подается сварочная проволока, сварочный (силовой) кабель, газовый шланг и кабель управления.

Другой конец шланга подключается к рукоятке сварочной горелки, в головной части которой имеется:

Диффузор с отверстиями для защитного газа;
- токоподводящий наконечник;
- газовое сопло.

Токоподводящие наконечники предназначены для подвода тока сварки к электродной проволоки. Они бывают самой разной конструкции и изготавливаются из сплавов на основе меди. Наконечники необходимо подбирать в соответствии с диметром используемой электродной проволоки.

В зависимости от конструкции сварочной горелки газовые сопла также имеют различную форму и размеры.

На рукоятке сварочной горелки находится кнопка "Пуск – Стоп". На некоторых современных типах сварочных горелок там же могут размещаться и некоторые органы управления (в первую очередь, напряжением дуги и скоростью подачи электродной проволоки), а также индикаторы параметров режима сварки.

Расходомеры газа

В сварочных установках используют расходомеры газа поплавкового и дроссельного типа. Расходомеры поплавкового типа или ротаметры состоят из стеклянной трубки с внутренним коническим каналом. Трубка расположена вертикально широким концом кверху. Внутри трубки помещен поплавок, который свободно в ней перемещается. Газ подводят к нижнему концу трубки и отводят от верхнего. При прохождении по трубке газ поднимает поплавок до тех пор, пока зазор между поплавком и стенкой трубки не достигнет такой величины, при которой напор струи газа уравновесит вес поплавка. Чем больше расход газа, тем выше поднимается поплавок.

Каждый расходомер снабжен индивидуальным градировочным графиком, на котором отражена зависимость между делениями шкалы на трубке и расходом воздуха. Переделы расходов, измеряемых ротаметром изменяют путем изменения веса поплавка, изготовляя его из эбонита, дюралюминия, коррозионно-стойкой стали или других материалов.

Расходомер дроссельного типа устроен на принципе изменения перепада давления в камере до и после дросселирующей диафрагмы с отверстием малого размера. При прохождении газа через малое отверстие до и после диафрагмы устанавливается различное давление в зависимости от расхода газа. По этому перепаду давления судят о расходе. На каждый расходомер и газ строят индивидуальный график. Пределы измерения расходов изменяют, меняя диаметр отверстия в диафрагме. На этом принципе построены расходомеры редукторов У-30 и ДЗД-1-59М, которые позволяют измерять расход газа в пределах 2,5-55 л/мин.

Осушители газа

Осушители газа применяют при использовании влажного СО 2 . осушители бывают высокого и низкого давления. Осушитель высокого давления устанавливают до понижающего редуктора. Осушитель имеет малые размеры и требует частой замены влагопоглотителя. Осушитель низкого давления имеет значительные размеры, его устанавливают после понижающего редуктора, он не требует частой замены влагопоглотителя. Такой осушитель одновременно является ресивером газа и повышает равномерность подачи газа. В качестве влагопоглотителя используют силикагель и алюмогель, реже медный купорос и хлористый кальций. Силикагель и медный купорос, насыщенные влагой, поддаются восстановлению путем прокалки при температуре 250-300°С.

Подогреватель газа углекислотный является электрическим устройством и предназначен для подогрева углекислого газа в целях защиты газовых каналов от замерзания. Он устанавливается перед понижающим редуктором. В целях безопасности подогреватели газа обычно делают с питанием от сети низкого напряжения 20 … 36 В и, как правило, подключаются к соответствующему разъему источника питания сварочной установки. Во избежание перегрева газового редуктора его следует отделить от подогревателя переходной трубкой длинной не менее 100 мм.

Газовый клапан

Газовый клапан используют для экономии защитного газа. Клапан целесообразно устанавливать по возможности ближе к сварочной горелке. В настоящие время наибольшие распространение получили электромагнитные газовые клапаны. В полуавтоматах находят применение газовые клапаны, встроенные в ручку держателя. Газовый клапан необходимо включать так, чтобы были обеспеченны предварительная или одновременная с зажиганием дуги подача защитного газа, а также его подача после обрыва дуги до полного затвердевания кратера шва. Желательно иметь возможность также включать подачу газа без включения сварки, что необходимо при настройке сварочной установки.

Смесители газов предназначены для получения смесей газов в случае, когда нет возможности использовать заранее подготовленную смесь нужного состава.

Типы переноса металла при сварке МИГ/МАГ

Процесс сварки МИГ/МАГ, будучи процессом, при котором используется плавящийся электрод, характеризуется переносом электродного металла через дугу в сварочную ванну. Перенос металла осуществляется посредством капель расплавленного электродного металла формирующихся на торце электродной проволоки. Их размер и частота перехода в сварочную ванну зависят от материала и диаметра электродной проволоки, типа защитного газа, полярности и значения тока сварки, напряжения дуги и других факторов. Характер переноса электродного металла определяет, в частности, стабильность процесса сварки, уровень разбрызгивания, геометрические параметры, внешний вид и качество сварного шва.

При сварке МИГ/МАГ перенос металла осуществляется, в основном, двумя формами. При первой форме капля касается поверхности сварочной ванны ещё до отделения от торца электрода, образуя короткое замыкание и вызывая погасания дуги, отчего этот тип переноса получил название переноса с короткими замыканиями. Обычно, перенос металла с короткими замыканиями имеет место при низких режимах сварки, т.е. малом токе сварки и низком напряжении дуги (короткая дуга гарантирует, что капля коснётся поверхности ванны раньше своего отделения от торца электрода).

Благодаря низким режимам сварки, а также тому факту, что в течение части времени дуга не горит, тепловложение в основной металл при сварке с короткими замыканиями ограничено. Эта особенность процесса сварки с короткими замыканиями делает его наиболее подходящим для сварки тонколистового металла. Сварочная ванна малых размеров и короткая дуга, ограничивающая чрезмерный рост капель, обеспечивают лёгкое управление процессом и позволяют осуществлять сварку во всех пространственных положениях, включая потолочное и вертикальное, как показано на этом рисунке.

При использовании сварки с короткими замыканиями применительно к соединениям с большими толщинами могут наблюдаться подрезы и отсутствие проплавления.

При второй форме капля отделяется от торца электрода без касания поверхности сварочной ванны и, поэтому, этот тип переноса называется переносом без коротких замыканий. Последняя форма переноса металла подразделяется на крупнокапельный перенос и мелкокапельный перенос.

Крупнокапельный перенос металла имеет место, когда сварка ведётся на высоких напряжениях дуги (исключающих короткие замыкания) и средних значениях тока сварки. Он, как правило, характеризуется нерегулярным переходом крупных капель расплавленного электродного металла (превышающих диаметр электрода) и низкой частотой переноса (от 1 до 10 капель в секунду). Из-за того, что сила тяжести играет решающую роль в этом типе переноса металла, сварка ограничена только нижнем положением.

При сварке в вертикальном положении некоторые капли могут падать вниз, минуя сварочную ванну (как это видно на этом рисунке на последнем кадре).

Сварочная ванна имеет большие размеры и, поэтому, трудноуправляема с тенденцией стекания вниз при сварке в вертикальном положении или выпадения при сварке в потолочном положении, что также исключает возможность сварки в этих пространственных положениях. Эти недостатки, а также неравномерное формирование сварного шва приводят к нежелательности использования этого типа переноса металла при сварке МИГ/МАГ.

Мелкокапельный перенос металла характеризуется одинаковыми каплями малых размеров (близкими к диаметру электрода), отделяющихся от торца электрода с высокой частотой.

Такой тип переноса обычно наблюдается при сварке на обратной полярности в защитной смеси на базе аргона и при высоких напряжениях дуги и токах сварки. В связи с тем, что этот тип переноса требует использования высокого тока сварки, приводящего к высокому тепловложению и большой сварочной ванне, он может быть применён только в нижнем положении и не приемлем для сварки тонколистового металла. Его используют для сварки и заполнения разделок металла больших толщин (обычно более 3 мм толщиной), в первую очередь при сварке тяжёлых металлоконструкций и в кораблестроении. Главными характеристиками процесса сварки с мелкокапельным переносом являются: высокая стабильность дуги, практическое отсутствие разбрызгивания, умеренное образование сварочных дымов, хорошая смачиваемость кромок шва и высокое проплавление, гладкая и равномерная поверхность сварного шва, возможность ведения сварки на повышенных режимах и высокая скорость наплавки. Благодаря этим достоинствам мелкокапельный перенос металла является всегда желательным там, где его применение возможно, однако, он требует строгого выбора и поддержания параметров процесса сварки.

При сварке МАГ в среде СО 2 возможен только один тип переноса – с короткими замыканиями.

Импульсный перенос электродного металла

При одной из разновидностей сварки МИГ/МАГ используются импульсы тока, которые управляют переходом капель электродного металла таким способом, чтобы мелкокапельный перенос металла осуществлялся на средних токах сварки (Iср) ниже критического значения. При этом методе управления переносом металла ток принудительно изменяется между двумя уровнями, называемыми током базы (Iб) и током импульса (Iи). Уровень тока базы, который примерно равен 50 … 80 А, выбирается из условия достаточности для обеспечения поддержания горения дуги при незначительном влиянии на плавление электрода. Функцией тока импульса, который превышает критический ток (уровень тока, при котором крупнокапельный перенос металла переходит в мелкокапельный), является оплавление торца электрода, формирование капли определённого размера и срыв этой капли с торца электрода действием электромагнитной силы (Пинч-эффект). Сумма длительностей импульса (tи) и базы (tб) определяет период пульсации тока, а её обратная величина даёт частоту пульсации. Частота следования импульсов тока, их амплитуда и длительность определяют выделяемую энергию дуги, а, следовательно, скорость расплавления электрода.

Процесс импульсно-дуговой сварки сочетает в себе достоинства процесса сварки с короткими замыканиями (такие как низкое тепловложение и возможность сварки во всех пространственных положениях) и процесса сварки с мелкокапельным переносом (отсутствие разбрызгивания и хорошее формирование металла шва).

В течение одного импульса тока может быть сформировано и перенесено в сварочную ванну от одной до нескольких капель. Оптимальным является такой перенос металла, когда за каждый импульс тока формируется и переносится лишь одна капля электродного металла, как это показано на рисунке ниже. Для его осуществления необходима тщательная регулировка параметров сварки ИДС, которая в современных источниках тока осуществляется автоматически на основе синергетического управления.

Параметры режима сварки МИГ/МАГ

К параметрам режима сварки плавящимся электродом в защитных газах МИГ/МАГ относятся:

Ток сварки (или скорость подачи электродной проволоки);
- напряжение дуги (или длина дуги);
- полярность тока сварки;
- скорость сварки;
- длина вылета электродной проволоки;
- наклон электрода (горелки);
- положение сварки;
- диаметр электрода;
- состав защитного газа;
- расход защитного газа.

Влияние полярности тока на процесс сварки МИГ/МАГ

Полярность тока сварки существенным образом сказывается на характере протекания процесса сварки МИГ/МАГ. Так, при использовании обратной полярности процесс сварки характеризуется следующими особенностями:

Повышенный ввод тепла в изделие;
- более глубокое проплавление;
- меньшая эффективность плавления электрода;
- большой выбор реализуемых типов переноса - металла, позволяющий выбрать оптимальный (с короткими замыканиями, крупнокапельный, мелкокапельный, струйный, ИДС...).

В то время как при сварке на прямой полярности наблюдается:

Сниженный ввод тепла в изделие;
- менее глубокое проплавление;
- большая эффективность плавления электрода;
- характер переноса электродного металла крайне неблагоприятен (крупнокапельный с низкой регулярностью).

Повышенный ввод тепла в изделие Более глубокое проплавление Меньшая скорость плавления электрода Большой выбор реализуемых типов пере-носа металла, позволяющий выбрать оптимальный (с КЗ, крупнокапельный, мелкокапельный, струйный, ИДС...)

Сниженный ввод тепла в изделие Менее глубокое проплавление Большая скорость плавления электрода Характер переноса электродного метал-ла крайне неблагоприятен (крупнокапельный с низкой регулярностью)

Качественный сравнительный анализ особенностей сварки МИГ/МАГ на обратной и на прямой полярности

Различия свойств дуги при прямой и обратной полярности связано с различием выделения тепла дуги на катоде и аноде при сварке плавящимся электродом; тепла на катоде выделяется больше, чем на аноде. Ниже приведен примерный объем выделения тепла на различных участках дуги применительно к сварке МИГ/МАГ (как произведение падения напряжения в соответствующей области дуги на ток сварки):

В катодной области: 14 В х 100 А = 1,4 кВт на длине ≈ 0,0001 мм;

В столбе дуги: 5 В х 100 А = 0,5 кВт на длине ≈ 5 мм;

В анодной области: 2,5 В х 100 А = 0,25 кВт на длине ≈ 0,001 мм.

Разница в выделении тепла в анодной и катодной областях определяет более глубокое проплавление основного металла на обратной полярности, более высокую скорость расплавления электрода на прямой полярности, а также наблюдаемый на прямой полярности неблагоприятный перенос металла, когда капля имеет тенденцию быть оттолкнутой в противоположную сторону от сварочной ванны. Последнее является результатом действия повышенной силы реакции. Сила реакции возникает в результате реактивного воздействия на каплю струи паров металла исходящего из активного пятна, т.е. участка поверхности капли с наивысшей температурой. Сила реакции препятствует отделению капли от торца электрода, а будучи значительной, она может вызывать перенос металла с характерным отталкиванием капель в сторону от дуги, сопровождаемым большим разбрызгиванием металла. Действие этой силы на порядок ниже на обратной полярности (когда электрод является анодом), чем на прямой (когда электрод является катодом).

На обобщенной диаграмме ниже показаны области рекомендуемых сочетаний напряжения дуги и тока сварки для швов различных типов и разных пространственных положений.

/p>

Влияние положение горелки и техники выполнения сварных швов на формирование сварного шва.

">

Достоинства и недостатки

Главными достоинствами процесса сварки МИГ/МАГ являются высокая производительность и высокое качество сварного шва. Высокая производительность объясняется отсутствием потерь времени на смену электрода, а также тем, что этот способ позволяет использовать высокий ток сварки.

Еще одним достоинством этого способа сварки является низкое тепловложение, особенно при сварке короткой дугой (при сварке с короткими замыканиями), что делает этот способ наиболее подходящим для сварки тонколистового металла, а также для сварки во всех пространственных положениях.

Благодаря этим достоинствам способ сварки МИГ/МАГ особенно хорошо подходит для роботизированной сварки.

К недостаткам этого процесса по сравнению со сваркой покрытыми электродами можно отнести следующее:

Оборудование более сложное и более дорогое;
- сложнее выполнять сварку в труднодоступных местах, так как горелка, как правило, крупнее электрододержателя и должна находиться близко от зоны сварки, что не всегда возможно;
- более сложная взаимосвязь между параметрами сварки;
- предъявляются более высокие требования к подготовке и очистке кромок;
- более сильное излучение от дуги.

Сварка МИГ/МАГ порошковой проволокой

Сварка порошковой проволокой может выполняться на том же оборудовании, что и сварка проволокой сплошного сечения. Сокращенное наименование этого процесса, принятое за рубежом - FCAW (Flux Cored Arc Welding).

Порошковая проволока представляет собой трубку из нелегированной стали, заполненную порошком (флюсом). Конструкция некоторых типов порошковых проволок представлена ниже.

Каждый тип порошковой проволоки имеет свой состав флюса. Через флюс можно изменять характеристики дуги и переноса электродного металла, а также металлургические особенности формирование сварного шва. Благодаря этому удалось преодолеть некоторые недостатки, свойственные процессу сварки МАГ проволокой сплошного сечения. Так например, порошковая проволока позволяет вводить через флюс в металл шва легирующие элементы, что нельзя сделать в случае использования проволоки сплошного сечения, из-за ухудшения характера волочения.

Обычно газовая защита при сварке FCAW обеспечивается за счет газа, подаваемого из вне (Gas-shielded FCAW - FCAW-G). Однако, разработаны проволоки, в которых достаточный объем защитного газа производится при разложении флюса при нагреве; это так называемый процесс сварки самозащитной порошковой проволокой (Self-shielded FCAW - FCAW-S).

В действительности, сварка порошковой проволокой это всего лишь особая разновидность процессов сварки в защитных газах. Поэтому для нее характерны те же особенности, что и для других процессов сварки в защитных газах, так как она также нуждается в эффективной газовой защите зоны сварки. Например, требование поддерживать минимальное расстояние между газовым соплом и изделием также действительно и для сварки FCAW. Необходимо предпринимать меры против сквозняков от открытых дверей и окон, так как они могут отдувать защитный газ в сторону. Тоже самое касается потоков воздуха от вентиляционных систем и даже от воздушных систем охлаждения сварочных установок.

Функции флюса сердечника порошковой проволоки

Состав флюса разрабатывается согласно области применения порошковой проволоки. Основной функцией флюса является очистка металла шва от таких газов как кислород и азот, которые оказывают отрицательное влияние на механические свойства шва. Для того чтобы снизить содержание кислорода и азота в металле шва во флюс проволоки добавляют кремний и марганец, которые являются раскислителями, а также способствуют улучшению механических свойств металла. Такие элементы как кальций, калий и натрий вводятся во флюс с целью придания шлаку свойств, способствующих улучшению защиты расплавленного металла от воздействия атмосферного воздуха при кристаллизации металла.

Кроме того, шлак обеспечивает:

Формирование поверхности шва требуемого профиля;
- удержание ванны расплавленного металла при сварке в вертикальном и потолочном положениях;
- снижение скорости остывания металла сварочной ванны.

Кроме того, калий и натрий способствуют получению более мягкой (стабильной) дуги и снижают разбрызгивание.

Легирующие элементы. Легирование металла шва через флюс порошковой проволоки является более предпочтительным по сравнению с легированием металла шва через проволоку сплошного сечения (вводить в сердечник порошковой проволоки легирующие компоненты технически проще дешевле, чем изготавливать проволоку сплошного сечения из легированного металла). Обычно используются следующие легирующие элементы: молибден, хром, никель, углерод, марганец и др. Добавка этих элементов в металла шва повышает его прочность и пластичность, и в то же время, предел текучести, а также улучшает свариваемость металла.

Состав флюса определяет будет ли порошковая проволока рутилового или основного типа (также как и в случае с покрытыми электродами).

Применяются также порошковые проволоки с повышенным содержанием металлического порошка (металл–корд). Во флюсе порошковых проволок этого типа содержится большое количество железного порошка, а также добавки кремния и марганца, которые обычно содержатся в проволоках сплошного сечения. Некоторые проволоки содержат также до 2% никеля, который повышает ударную вязкость при низких температурах.

Проволоки типа металл–корд применяются для сварки стыковых и угловых швов во всех пространственных положениях. Они обеспечивают высокую производительность наплавки. Сварной шов имеет гладкую поверхность и не покрыт шлаком, а это означает, что можно выполнять несколько проходов без предварительной очистки предыдущего валика.

Области применения

В настоящее время сварка порошковой проволокой применяется там, где раньше использовались покрытые электроды, например, в кораблестроении и других отраслях тяжелого машиностроения применительно к толщинам более 1.5 мм изделий из обычных низкоуглеродистых, жаростойких, коррозионностойких и нержавеющих сталей.

Достоинства сварки порошковой проволокой

Сварка порошковой проволокой характеризуется следующими достоинствами:

Использование этого метода сварки выгодно с экономической точки зрения. Он обеспечивает высокие скорости сварки и длительные интервалы горения дуги без перерывов (так как отсутствует необходимость в частой смене электродов);
- при этом практически отсутствуют потери электродной проволоки;
- метод обеспечивает приемлемое качество при сварке металлов, характеризуемых низкой свариваемостью;
- порошковые проволоки основного типа менее чувствительны к загрязнениям основного металла и обеспечивают получение плотного шва с низкой склонностью к трещинам;
- сварка может выполняться во всех пространственных положениях;
- дуга и сварочная ванна хорошо видимы;
- после окончания сварки шов требует лишь незначительной обработки;
- вероятность образования опасных дефектов сварного шва ниже по сравнению со сваркой сплошной проволокой.

Недостатки процесса сварки FCAW

Некоторые из недостатков сварки порошковой проволокой представлены ниже:

Этот способ сварки очень чувствителен к сквознякам (открытым дверям и окнам), потокам воздуха от вентиляционных систем и даже от воздушных систем охлаждения сварочных установок;
- дополнительные расходы на сооружение укрытия места сварки при работе вне помещений;
- в случае недостаточных знаний сварщика особенностей процесса и взаимосвязи между параметрами режима возможны такие серьезные дефекты сварного шва, как недостаточное проплавление;
- требуются большие капитальные затраты на оборудование;
- при сварке порошковой проволокой, особенно самозащитной, выделяется относительно большое количество дыма.

Электродуговая сварка может осуществляться при помощи оборудования, вырабатывающего постоянный или переменный ток. Если работа на переменном токе не имеет нюансов в вопросе правильного подключения массы и держателя электрода, то при сварке на постоянном токе полярность сварочных электродов имеет большое значение.

Общие понятия

В зависимости от того какой полюс сварочного автомата подключен к держателю, определяется тип и особенности режима сварки:

• Сварка на прямой полярности предполагает подключение положительного полюса к соединяемым заготовкам (массе), и отрицательного к держателю электрода.
• Для выполнения работ при обратной полярности полюса меняются местами (плюс на держатель, минус на массу).

Несмотря на то, какая полярность электродов применяется, сварка на постоянном токе имеет общие особенности по сравнению с применением переменного напряжения:

Сварка на прямой полярности

При таком способе подключения электродов большему нагреву подвергается заготовка, а не электрод . Такой режим характеризуется выделением значительно большего количества тепла.

Поэтому сварка на прямой полярности рекомендована для выполнения следующих операций:

• Резка металла любым типом электродов.
• Сварка заготовок значительной толщины.
• Работа с металлами, имеющими более высокую температуру плавления.

Именно в этих случаях требуется разогрев обрабатываемых деталей до более высоких температур, для выполнения этих работ требуется значительное тепловыделение.

Сварка на обратной полярности

В данном случае большему разогреву подвергается электрод, поэтому на заготовку передается меньшее количество тепловой энергии.

Благодаря этому электроды обратной полярности позволяют выполнять работы в более мягком (деликатном) режиме.

Это актуально во многих случаях, например, сварка нержавеющей или тонкой листовой стали, сплавов, чувствительных к тепловому воздействию.

Так же такое подключение используется для работ в среде защитных газов или под флюсом.

Определение необходимой полярности

О том, как определить полярность электродов при сварке, существует множество споров, при этом каждая сторона приводит правильные, казалось бы доводы. Противники указанной выше версии ссылаются на учебники по технологии сварочного производства, изданные еще в середине прошлого века, считая, что сведения указанные в них наиболее правильные.

Но стоит учитывать то, что с тех пор произошло существенное усовершенствование сварочной техники и расходных материалов. Поэтому основываться на рекомендациях, касающихся устаревших технологий, все-таки не стоит. Наиболее правильным считается именно описанный выше выбор полярности.

Существует еще одна группа сварщиков, считающих, что любые работы лучше (вернее удобней) выполнять исключительно на обратной полярности. Это связано в первую очередь с тем, что в таком режиме электроды меньше липнут и отсутствует риск прожига металла. Но появление инверторной сварочной техники решило и эту проблему.

Стоит обращать внимание и на тип электродов. Существуют марки, которые могут применяться только при прямой или обратной полярности, нарушение рекомендаций производителя может не только усложнить процесс сварки, но и сделать ее невозможной в принципе.

На сегодняшний день производители уже предлагают электроды, способные работать при любом напряжении и различной полярности.

Правильный выбор полярности подключения электродов способствует упрощению сварочного процесса и повышению качества шва.