Помимо технологических факторов, на формирование и размер сварного шва могут влиять и другие параметры процесса сварки, такие как размер канавки и зазора, угол наклона электрода и заготовки, а также пространственное положение шва.
Влияние сварочного тока на формирование сварного шва
При определенных условиях, по мере увеличения тока дуговой сварки, глубина проплавления и усиление сварного шва увеличиваются, а ширина сварного шва незначительно возрастает. Причины следующие:
1) С увеличением сварочного тока при дуговой сварке возрастает сила дуги, действующая на свариваемое изделие, увеличивается тепловая энергия, передаваемая дугой свариваемому изделию, и положение источника тепла смещается вниз, что способствует теплопроводности в направлении глубины расплавленной ванны и увеличивает глубину проплавления. Глубина проплавления приблизительно пропорциональна сварочному току. Глубина проплавления сварного шва H приблизительно равна Km × I. В формуле Km — коэффициент проплавления (количество миллиметров, на которое увеличивается глубина проплавления сварного шва при увеличении сварочного тока на 100 А), который зависит от метода дуговой сварки, диаметра проволоки, типа тока и т. д., как показано в таблице 1-1.
| методы дуговой сварки | диаметр электрода/мм | сварочный ток/А | напряжение/В | скорость сварки/мч-1 | коэффициент проникновения/м м-100А-1 |
аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
| | 1,6 отверстие сопла | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| 3,4 отверстие сопла | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1.5~2.4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1.0~1.7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
сварка плавлением электродом аргонодуговой сварки | 1.2~2.4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| Сварка CO2 | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Таблица 1-1. Коэффициент глубины плавления Km для различных методов и параметров дуговой сварки (свариваемая сталь).
2) Скорость плавления сварочного сердечника или сварочной проволоки при дуговой сварке пропорциональна сварочному току. Поскольку увеличение сварочного тока при дуговой сварке приводит к увеличению скорости плавления сварочной проволоки, количество расплавленной сварочной проволоки увеличивается приблизительно пропорционально, в то время как ширина сварного шва увеличивается меньше, следовательно, увеличивается усиление сварного шва.
3) После увеличения сварочного тока диаметр дугового столба увеличивается. Однако глубина проникновения дуги в заготовку возрастает, а диапазон перемещения сварочной точки ограничен. Поэтому увеличение ширины сварного шва относительно невелико.
При сварке в защитной газовой среде (MIG) с увеличением сварочного тока увеличивается и глубина проплавления шва. Если сварочный ток слишком велик и плотность тока слишком высока, высока вероятность образования пальцеобразного проплавления, особенно при сварке алюминия.
Влияние напряжения дуги на формирование сварного шва
При определенных условиях при увеличении напряжения дуги возрастает мощность дуги, а значит, и тепловая энергия, передаваемая свариваемому изделию. Однако увеличение напряжения дуги достигается за счет увеличения длины дуги. Увеличение длины дуги приводит к увеличению радиуса источника тепла дуги и увеличению теплоотдачи дуги. В результате плотность энергии, передаваемой свариваемому изделию, уменьшается, поэтому глубина проплавления незначительно уменьшается, а ширина сварного шва увеличивается. В то же время, поскольку сварочный ток остается неизменным, а количество расплавленной сварочной проволоки также остается неизменным, усиление сварного шва уменьшается.
Для различных методов дуговой сварки, чтобы получить правильное формирование сварного шва, то есть поддерживать соответствующий коэффициент формирования шва φ, при увеличении сварочного тока необходимо соответствующим образом увеличивать напряжение дуги. Требуется, чтобы напряжение дуги и сварочный ток имели соответствующее соответствие. Это наиболее часто встречается при дуговой сварке с использованием плавкого электрода.
Влияние скорости сварки на формирование сварного шва.
При определенных условиях увеличение скорости сварки приводит к снижению подводимой тепловой энергии, что, в свою очередь, уменьшает ширину и глубину сварного шва. Поскольку количество наплавленной проволоки на единицу длины сварного шва обратно пропорционально скорости сварки, это также приводит к уменьшению усиления сварного шва.
Скорость сварки является важным показателем для оценки производительности сварки. Для повышения производительности сварки необходимо увеличить скорость. Однако, чтобы обеспечить требуемые размеры сварного шва при проектировании конструкций, при увеличении скорости сварки следует соответственно увеличить сварочный ток и напряжение дуги. Эти три величины взаимосвязаны. В то же время следует учитывать, что при увеличении сварочного тока, напряжения дуги и скорости сварки (то есть при использовании мощной сварочной дуги и высокой скорости сварки) во время формирования и затвердевания расплавленной ванны могут возникать дефекты сварки, такие как подрезы и трещины. Поэтому увеличение скорости сварки ограничено.
Влияние типа и полярности сварочного тока, а также размера электрода на формирование сварного шва.
1. Типы и полярность сварочного тока
Типы сварочного тока делятся на постоянный и переменный. При этом сварка постоянным током подразделяется на постоянный и импульсный в зависимости от наличия импульсов в токе; по полярности она делится на прямое соединение (свариваемая деталь подключается к положительному полюсу) и обратное соединение (свариваемая деталь подключается к отрицательному полюсу). Сварка переменным током подразделяется на синусоидальный и прямоугольный переменный ток в зависимости от формы тока. Тип и полярность сварочного тока влияют на количество тепла, передаваемого от дуги к свариваемой детали, и, следовательно, на формирование сварного шва. В то же время, это также влияет на процесс переноса капель и удаление оксидной пленки с поверхности основного металла.
При сварке металлических материалов, таких как сталь и титан, методом дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа (ING-сварка), глубина проплавления шва максимальна при подаче постоянного тока в положительном направлении, минимальна при подаче постоянного тока в обратном направлении, а переменный ток находится между этими двумя значениями. Поскольку глубина проплавления шва максимальна при подаче постоянного тока в положительном направлении, а потери накаливания у вольфрамового электрода минимальны, при сварке металлических материалов, таких как сталь и титан, следует использовать положительное подключение постоянного тока. При использовании импульсной сварки постоянным током в методе дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа, поскольку параметры импульса можно регулировать, размер формируемого шва можно контролировать по мере необходимости. При сварке алюминия, магния и их сплавов методом дуговой сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа необходимо использовать эффект очистки катода дуги для удаления оксидной пленки с поверхности основного металла. Лучше использовать переменный ток. Поскольку параметры формы волны переменного тока прямоугольной формы можно регулировать, эффект сварки улучшается.
При дуговой сварке в защитной среде при обратном подключении постоянного тока глубина проплавления и ширина сварного шва больше, чем при прямом подключении постоянного тока. Глубина проплавления и ширина при сварке переменным током находятся между этими значениями. Поэтому при сварке под флюсом обычно используется обратное подключение постоянного тока для достижения большей глубины проплавления; в то время как при наплавке под флюсом используется прямое подключение постоянного тока для уменьшения глубины проплавления. При дуговой сварке в защитной среде, поскольку обратное подключение постоянного тока не только обеспечивает большую глубину проплавления, но и делает процесс сварки и переноса капель более стабильным, чем при прямом подключении постоянного тока и переменном токе, а также обладает эффектом очистки катода, оно широко используется. Прямое подключение постоянного тока и переменный ток обычно не используются.
2. Влияние формы наконечника вольфрамового электрода, диаметра сварочной проволоки и длины ее удлинения.
Угол и форма передней части вольфрамового электрода оказывают большее влияние на концентрацию дуги и давление дуги. Их следует выбирать в зависимости от сварочного тока и толщины заготовки. Как правило, чем выше концентрация дуги и давление дуги, тем больше глубина проплавления, а ширина сварного шва соответственно уменьшается.
При дуговой сварке в защитной атмосфере, при постоянном сварочном токе, чем тоньше сварочная проволока, тем сильнее концентрация нагрева дуги, тем больше глубина проплавления и тем меньше ширина сварного шва. Однако при выборе диаметра сварочной проволоки в реальных сварочных проектах следует также учитывать величину тока и морфологию сварочной ванны, чтобы избежать образования некачественного сварного шва.
При увеличении длины проволоки в газодуговой сварке возрастает теплота сопротивления, выделяемая сварочным током, проходящим через удлиненную часть проволоки, что приводит к увеличению скорости плавления проволоки. Следовательно, увеличивается усиление сварного шва, в то время как глубина проплавления несколько уменьшается. Из-за относительно высокого удельного сопротивления стальных сварочных проволок влияние длины проволоки на формирование сварного шва довольно заметно при сварке сталью и тонкими проволоками. Удельное сопротивление алюминиевых сварочных проволок относительно невелико, поэтому его влияние незначительно. Хотя увеличение длины проволоки может улучшить коэффициент плавления проволоки, с учетом всех аспектов стабильности плавления проволоки и формирования сварного шва существует допустимый диапазон изменения длины проволоки.
Влияние других технологических факторов на факторы формирования сварного шва
Помимо вышеуказанных технологических факторов, на формирование и размер сварного шва могут влиять и другие факторы процесса сварки, такие как размер канавки и зазора, угол наклона электрода и заготовки, а также пространственное положение соединения.
1. Канавка и зазор
При сварке стыковых соединений электродуговой сваркой обычно определяют, следует ли оставлять зазор, размер зазора и форму канавки в зависимости от толщины свариваемой пластины. При определенных условиях, чем больше размер канавки или зазора, тем меньше усиление сварного шва, что эквивалентно смещению положения сварного шва. В этом случае коэффициент плавления уменьшается. Поэтому оставление зазора или открытие канавки может использоваться для контроля размера усиления и регулирования коэффициента плавления. По сравнению с оставлением зазора и его отсутствием, а также открытием канавки, условия теплоотвода в этих двух случаях несколько различаются. В целом, условия кристаллизации при открытии канавки более благоприятны.
2. Наклон электрода (сварочной проволоки).
В процессе дуговой сварки, в зависимости от соотношения направления наклона электрода и направления сварки, выделяют два типа наклона: наклон электрода вперед и наклон электрода назад. При наклоне сварочной проволоки ось дуги также наклоняется соответственно. При наклоне сварочной проволоки вперед ослабляется воздействие силы дуги на отвод расплавленного металла назад. Слой жидкого металла на дне расплавленной ванны становится толще, глубина проплавления уменьшается, глубина проникновения дуги в сварной шов уменьшается, диапазон перемещения сварочной точки расширяется, ширина сварного шва увеличивается, а усиление уменьшается. Чем меньше угол наклона сварочной проволоки вперед α, тем заметнее это влияние. При наклоне сварочной проволоки назад ситуация обратная. В ручной дуговой сварке чаще всего используется метод наклона электрода назад, и относительно подходящим является угол наклона α от 65° до 80°.
3. Наклон свариваемого изделия
Наклон сварного соединения часто встречается в реальном производстве и может быть разделен на сварку вверх и сварку вниз. В этом случае под действием силы тяжести расплавленный металл стремится течь вниз вдоль наклона. При сварке вверх сила тяжести способствует вытеканию расплавленного металла в хвостовую часть ванны, поэтому проплавление глубокое, ширина сварного шва узкая, а усиление высокое. Когда угол наклона вверх α составляет от 6° до 12°, усиление слишком велико, и легко образуются подрезы с обеих сторон. При сварке вниз этот эффект препятствует вытеканию расплавленного металла в хвостовую часть ванны. Дуга не может глубоко прогреть металл в нижней части ванны, проплавление уменьшается, диапазон перемещения точки дуги расширяется, ширина сварного шва увеличивается, а усиление уменьшается. Если угол наклона сварного соединения слишком велик, это приведет к недостаточному проплавлению и переливу расплавленного металла.
4. Материал и толщина сварного шва
Проплавление сварного шва зависит от сварочного тока, а также от теплопроводности и объемной теплоемкости материала. Чем выше теплопроводность материала и объемная теплоемкость, тем больше тепла требуется для расплавления единицы объема металла и повышения температуры на ту же величину. Следовательно, при определенных условиях, таких как сварочный ток, глубина проплавления и ширина сварного шва уменьшаются. Чем выше плотность или вязкость расплавленного материала, тем сложнее дуге вытеснить расплавленный металл, и тем меньше глубина проплавления. Толщина свариваемой детали влияет на теплопроводность внутри нее. При прочих равных условиях, с увеличением толщины свариваемой детали увеличивается теплоотдача, и ширина сварного шва и глубина проплавления уменьшаются.
5. Флюс, покрытие электрода и защитный газ.
Различный состав флюсов или покрытий электродов приводит к различным падениям напряжения в областях электродов дуги и различным градиентам потенциала дугового столба, что неизбежно влияет на формирование сварного шва. При низкой плотности флюса, крупном размере частиц или малой высоте упаковки давление вокруг дуги низкое, дуговой столб расширяется, и сварочная точка имеет большой диапазон перемещения. Следовательно, проплавление малое, ширина сварного шва большая, а усиление малое. При использовании высокомощной дуговой сварки для сварки толстых заготовок использование флюса, похожего на пемзу, может снизить давление дуги, уменьшить проплавление и увеличить ширину сварного шва. Кроме того, сварочный шлак должен иметь соответствующую вязкость и температуру плавления. Если вязкость слишком высока или температура плавления относительно высока, шлак будет плохо вентилироваться, и на поверхности сварного шва легко образуются многочисленные углубления, что приводит к плохому формированию поверхности сварного шва.
Состав защитных газов для дуговой сварки (таких как Ar, He, N2, CO2) различен, как и их физические свойства, например, теплопроводность. Это приводит к различиям в падении напряжения в полярной области дуги и градиенте потенциала дугового столба, проводимости поперечного сечения дугового столба, силе потока плазмы и распределении удельного теплового потока. Все эти факторы влияют на формирование сварных швов.
Вкратце, на формирование сварного шва влияет множество факторов. Для получения качественного сварного шва необходимо выбрать соответствующие методы и условия сварки в зависимости от материала и толщины свариваемой детали, пространственного положения сварного шва, формы соединения, условий работы, требований к характеристикам соединения и размеров сварного шва. При этом, самое важное – это отношение сварщика к сварке! В противном случае, формирование сварного шва и его характеристики могут не соответствовать требованиям, и даже могут появиться различные дефекты сварки.
