СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Горение дуги

Процесс возникновения дуги при сварке протекает следующим образом: при касании концом электрода свариваемого металла происходит короткое замыкание сварочной цепи (рис. 21, а). Про­ходя через отдельные выступы, ток, имеющий в точках соприкосно­вения электрода с металлом очень высокую плотность, мгновенно расплавляет их, вследствие чего между электродом и металлом об­разуется тонкая прослойка из жидкого металла (рис. 21, б). В сле­дующий момент сварщик несколько отводит электрод, отчего в жид­ком металле образуется шейка (рис. 21, в), где плотность тока и тем­пература металла возрастают. Затем благодаря испарению расплав­ленного металла шейка разрывается и в ионизированном промежут-

Напряжение дуги, т. е. напряжение между электродом и свариваемым металлом, зависит в основном от ее длины. Чем ко­роче дуга, тем ниже напряжение, хотя ток в дуге может остаться не­изменным. Это обусловлено тем, что при длинной дуге сопротивле­ние газового промежутка будет больше. Как известно из электро­техники, чем выше сопротивление, тем выше должно быть напря­жение ДЛЯ того, чтобы обеспечить прохождение того же тока в цепи. Общее падение напряжения в дуге (UA) складывается из падения напряжения в катодной зоне (£/к), в столбе дуги (UCT) и в анодной зоне (t/a), т. е.

= ^7к + ^ст + UІ-

Приближенно напряжение устойчиво горящей дуги выражается следующей формулой:

UA = a--b-L,

где UA — напряжение дуги, е;

а — постоянный коэффициент, выражающий сумму падений напряжения на катоде и аноде дуги, не зависящий ог длины дуги;

b — среднее падение напряжения на единицу длины дуги; L — длина дуги, мм.

Для стальных электродов можно в среднем принять а — 10 и b — 2в/мм. Тогда напряжение дуги длиной L = 4 мм составит:

£/д = 10 + 2. 4= 18 в.

На абсолютную величину напряжения дуги могут также влиять состав электрода и свариваемого металла, состав и давление окру­
жающей дугу газовой среды (воздуха, аргона, гелия,, углекислого газа) и другие факторы.

Дуга при сварке металлическим электродом горит устойчиво при напряжении 18—28 в, а при сварке угольным или графитовым— при напряжении 30—35 в. Для возбуждения дуги требуется бо­лее высокое напряжение, чем то, которое необходимо для под­держания ее нормального горения. Это объясняется тем, что в на­чальный момент воздушный промежуток еще недостаточно нагрет и необходимо придать электронам большую скорость для иониза­ции атомов газового промежутка, что можно достичь только при более высоком напряжении в момент зажигания дуги.

На рис. 22 показаны графики изменения напряжения и тока в дуге при ее зажигании и устойчивом горении. Кривая, показываю­щая зависимость между напряже­нием и током в дуге, называется статической (или вольт- амперной) характеристи­кой дуги и соответствует установившемуся (стационарному) горению дуги. Точка А отмечает момент зажигания дуги. Затем напряжение дуги быстро падает до нормальной величины, соответ­ствующей устойчивому горению дуги. Дальнейшее увеличение тока повышает нагрев электрода и ско­рость его плавления, но не ска­зывается на устойчивости горе­ния дуги.

Падающую статическую харак­теристику (кривые / и 2 на рис. 22) имеет дуга при относительно небольшой плотности тока, исполь­зуемой при ручной дуговой сварке или при автоматической сварке под флюсом на средних режимах. При более высоких плотностях тока (сварка под флюсом на большом токе, сварка проволокой ма­лого диаметра в среде защитного газа) статическая характеристика дуги будет возрастающей, как это условно изображено на рис. 22 пунктирными линиями 3 и 4.

Устойчивой называется дуга, горящая равномерно, без произвольных обрывов, требующих повторного зажигания. Если дуга горит неравномерно, часто обрывается и гаснет, то такая дуга называется неустойчивой. Устойчивость дуги зависит от многих причин, основными из которых являются род тока, состав покрытия электродов, полярность и длина дуги.

Длина дуги равняется расстоянию между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла свариваемого изделия. Обычно нормальная длина дуги не должна превышать 3—4 мм для

стального электрода. Такая дуга называется короткой. Корот­кая дуга горит устойчиво и обеспечивает нормальное протекание процесса сварки. Для электродов диаметром 4—5 мм с покрытием ОММ-5 нормальная длина дуги равна 5—6 мм. Дуга, у которой длина больше 6 мм, называется длинной. Процесс плавления металла электрода при такой дуге протекает неравномерно. Стекаю­щие с конца электрода капли металла в этом случае в большей сте­пени могут окисляться кислородом и обогащаться азотом воздуха. Наплавленный металл получается пористым, шов имеет неровную поверхность, а дуга горит неустойчиво. При длинной дуге пони­жается производительность, увеличивается разбрызгивание метал­ла, чаще образуются места с непроваром и недостаточным сплавлением наплавленного металла с основным.

Сварочная дуга может питаться от источ­ника постоянного или' переменного тока. Ду­га может питаться постоянным током прямой и 'обратной'полярности. Тїри прямой поляр­ности минус источника тока подключают к электроду, а при обратной полярности — к свариваемому изделию. При сварке уголь­ным электродом дуга легче возбуждается и устойчивее горит, если ток имеет прямую полярность. Ток обратной полярности при­меняют в тех случаях, когда нужно умень­шить выделение тепла на свариваемом изде­лии: при сварке тонкого или легкоплавкого металла, чувствительных к перегреву леги­рованных, нержавеющих и высокоуглеродис­тых сталей и т. д., а также при пользова­нии некоторыми видами электродов (например, с покрытием УОНИ-13).

Для определения полярности цепи постоянного тока в стакане воды растворяют половину чайной ложки поваренной соли, опус­кают в раствор оба провода цепи и включают сварочный ток. Тот провод, около которого происходит интенсивное выделение пузырь­ков газа (водорода), будет отрицательным, а второй — положи­тельным. Концы проводов на длине 1—2 см должны быть очищены от изоляции. Для определения полярности тока применяют также специальные полюсоуказатели.

На рис. 23 показаны кривые изменения напряжения и тока в Дуге переменного тока за один период. Так как в каждом полупе - риоде ток (ід) и напряжение дуги ((/j изменяются от нуля до мак­симальных значений, то за этот же промежуток времени уменьшает­ся температура столба дуги и степень ионизации дугового проме­жутка. Вследствие этого для возбуждения дуги после прохожде­ния тока через нулевое значение необходимо повышенное напряже­
ние, равное £/заж, которое больше нормального напряжения дуги UR.

Для повышения устойчивости горения дуги переменного тока в покрытия электродов и в сварочные флюсы вводят элементы с низ­ким потенциалом ионизации: калий, натрий и кальций, которые об­легчают возбуждение дуги после того, как ток уменьшается до ну­ля, и одновременно изменяет свое направление на противоположное.

Вокруг дуги и в свариваемом металле возникают магнитные по­ля. Если эти поля расположены относительно оси дуги несиммет­рично, то они могут отклонять дугу, являющуюся гибким провод­ником тока, что затрудняет сварку. Отклоняющее действие маг­нитных полей на сварочную дугу носит название магнитного дутья.

Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, по­этому магнитное дутье особенно заметно при сварке постоянным током значительной величины (свыше 300—400 а). При сварке пе­ременным током толстопокрытыми электродами и сварке под флю­сом явление магнитного дутья сказывается значительно слабее, чем при постоянном токе и при применении голых или тонкопокры­тых электродов.

На величину магнитного дутья оказывает также влияние рас­положение железных (ферромагнитных) масс вблизи места сварки, место подвода тока к изделию, форма изделия, тип сварного соеди­нения, наличие зазоров и другие причины. Для уменьшения откло­няющего действия магнитных полей на дугу следует вести сварку возможно более короткой дугой, подводить сварочный ток к изде­лию в точке, расположенной как можно ближе к месту' СЕарки, а также изменять угол наклона электрода так, чтобы нижний ко­нец электрода был обращен в сторону действия магнитно­го дутья.

На рис. 24 показано, как сказывается влияние места подвода тока к изделию на отклонение дуги.

Для уменьшения влияния больших ферромагнитных масс на свариваемое изделие укладывают массивную стальную плиту со стороны, противоположной направлению отклонения дуги.

в)

Рж 24. Влияние места подвода тока к изделию на отклоне­ние дуги магнитным дутьем:

а — отклонение влево, б — нормальное положение дуги, е — откло­нение вправо

Один провод от источника присоединяют к стальной плите, которую укладывают на расстоянии 200—250 мм от места сварки, постепенно перемещая ее вдоль шва по мере продвижения дуги.