Электродуговая сварка уже второй век остается одним из основных технологических процессов обработки металлов. Созданный в России в 80-х гг. XX в. учеными Н.Н. Бенардосом и Н.Г. Славяновым, этот способ соединения металлов был запатентован во многих странах мира. За долгое время дуговую сварку безуспешно пытались потеснить плазма, лазер, электронный луч и сварка трением.

Как организован этот востребованный технологический процесс, какие проблемы стоят перед современными разработчиками оборудования? На эти и другие вопросы ответит цикл статей, авторами которых являются специалисты Института сварки России. В данной статье описаны некоторые физические особенности процесса, которые во многом определяют и требования к сварочному оборудованию.

Нагрев и плавление свариваемого металла, добавляемого в сварочную ванну, проволоки и электродов, а также флюсов осуществляются за счет тепла, выделяемого в сварочной дуге. Отсюда и определение эффективной мощности дуги, под которой понимается количество теплоты, введенное за единицу времени в зону сварки и затрачиваемое на нагрев и плавление указанных объектов:

q = ?н• U • I

где: ?н — эффективный КПД процесса нагрева, представляющий отношение количества теплоты, введенной дугой и зону нагрева и плавления, к тепловому эквиваленту электрической мощно пи душ; U — напряжение на дуге (вольт); I — сварочный ток (ампер).

Значения эффективного КПД изменяются в пределах 0,70—0,85 — при сварке открытой дугой металлическими электродами; 0,90-0,99 — при сварке под флюсом. КПД уменьшается с удлинением дуги и возрастает с углублением дуги в сварочную ванну.

Существенным обстоятельством является то, что количество тепла, выделяемого в дуге вблизи анода, примерно в два раза выше, чем вблизи катода. Поэтому для увеличения количества расплавляемого металла электродов и проволоки, т.е. увеличения про производительности переноса вводимого металла, сварку и наплавку плавящимся электродом на постоянном токе ведут при обратной полярности (минус на изделии).

При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом необходимо организовывать процесс принципиально иначе, чтобы меньше энергии выделялось на электроде, а больше — в сварочной ванне. Поэтому процесс ведут на прямой полярности (катодом является вольфрамовый электрод).

При сварке алюминиевых сплавов не плавящимся электродом в аргоне необходимо разрушать тугоплавкую пленку оксида на свариваемой поверхности за счет ее «катодного распыления», т.е. при обратной полярности (минус на изделии). Но при подобной организации процесса повышенное выделение тепла на выходе (конус вольфрамового электрода) приводит к его нежелательному плавлению и, соответственно, относительно быстрому разрушению. Нежелательным является и загрязнение металла шва вольфрамовыми включениями. Поэтому сварку алюминия неплавящимся электродом ведут на переменном токе, когда количество теплоты, выделяемой на свариваемом изделии и на конце вольфрамового электрода примерно одинаково. В полупериоды, когда на изделии отрицательная полярность, происходит очистка его поверхности от оксида алюминия. Сварка на переменном токе приводит к повышению стойкости и уменьшению разрушения вольфрамового электрода.

Возвращаясь к «тепловложению» в зону сварки, вспомним, что удельная тепловая мощность при дуговой сварке может изменяться в широких приделах: от 0,1 до 100 кВт/см2. Уровень температуры, достигаемый в сварочной дуге, позволяет плавить все известные конструкционные металлические материалы. Высокая концентрация энергии дуги определяется относительно небольшой площадью пятна нагрева изделия, на которой сосредоточена выделяемая тепловая энергия. Это обстоятельство позволяет эффективно расходовать электрическую энергию при сварке, регулировать затраты тепла и глубину проплавления основного материала.

Для лучшего представления процесса необходимо вспомнить о статической вольтамперной характеристике сварочной дуги — ВАХД. ВАХД — это зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и величины сварочного тока. Она описывается уравнением Uд = а + bLg, где а — сумма падений напряженийна катоде и аноде (а = Uk + Ua); b — удельное падение напряжения в газовом столбе дуги, отнесенное к 1 мм длины дуги. Величина b зависит от состава газов паров и ионов в столбе дуги.

Для того чтобы представить, что происходит в дуге, воспользуемся схемой №2, где представлена статическая ВАХД.

В области I увеличение тока до 80 А Приводит к резкому падению напряжения дуги, что вызвано увеличением площади сечения столба дуги и его электропроводности. На этом участке ВАХД дуги имеет малую устойчивость. Падающая ВАХД используется при сварке в аргоне неплавящимся электродом на малых токах.

В области II (80-800 А) напряжение почти не изменяется из-за увеличения сечения столба дуги и площадей активных пятен на аноде и катоде. В этом случае ВАХД — жесткая. Она применяется при ручной сварке, электродами с покрытиями, а также при механизированной сварке под флюсом.

Свыше 800 А (область III) происходит рост тока без увеличения площадей активного пятна на электроде, т.к. сварочная поверхность торца электрода исчерпана, при этом возрастает плотность тока. Дуга с возрастающей ВАХД применяется при сварке под флюсом (свыше 800 А), а также при сварке в углекислом газе.

При переходе от процесса к оборудованию нам понадобятся внешние вольтамперные характеристики источников питания дуги — ВАХИ.

ВАХИ — это зависимость напряжения на выходных зажимах источника питания дуги от величины тока нагрузки.

Длина дуги связана с ее напряжением: длиннее сварочная дуга — выше напряжение. При падающих ВАХИ, чем круче характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток и стабильнее процесс сварки (при изменении напряжения на величину b при круто падающей характеристике изменение тока на величину а существенно меньше, чем при пологопадающей характеристике а).

Профессиональный словарь

Дуговая сварка — вид сварки, при которой кромки свариваемых металлических частей расплавляют дуговым разрядом между электродом и металлом в месте соединения.

Сварочная дуга — устойчивый электрический разряд, в газовой среде образованный между электродом и изделием. Расстояние между металлом и электродом должно быть 3-5 мм.

Сварочная ванна — часть металла сварочного шва, находящаяся в момент сварки в расплавленном состоянии. Углубление, образующееся в сварочной ванне под действием дуги, называется кратером.

Сварка под флюсом — дуговая сварка с применением для защиты сварочной ванны от воздействия воздуха и для улучшения формирования сварного шва специального сварочного материала — флюса. Этот способ обеспечивает постоянство режима, позволяет увеличим сварочный ток, получить большую глубину проплавления материала и высокое качество сварного шва по всей длине.

Продолжение следует...

К.т.н. Н.В. Смирнов, к.т.н. В.Б. Вихман, инженеры А.Л. Рывкин