Силы, действующие в сварочной дуге на расплавленный металл

Капля расплавленного металла на электроде находится под действием нескольких сил. Сила тяжести F_T направлена вниз, она зависит от диаметра капли d_к. Сила реактивного давления F_р паров электродного металла отбрасывает каплю от ванны. Сила поверхностного натяжения F_п стремится уменьшить поверхность капли и поэтому препятствует ее отделению. Электродинамическая сила F_э вызвана искривлением линий тока и пропорциональна квадрату силы тока, ее радиальная составляющая F_эк стремится пережать шейку капли, а осевая составляющая F_эо отбрасывает каплю к детали.

Проанализируем зависимость характера переноса без коротких замыканий от силы тока при сварке плавящимся электродом (рис. 2.29, б). При малом токе электродинамическая сила F_э невелика, и капля переносится под действием силы тяжести F_Т при достижении достаточно большого размера d_к. Такой крупнокапельный перенос, как правило, имеет нерегулярный характер, отрицательно влияет на устойчивость процесса сварки, приводит к плохому формированию шва. При увеличении тока возрастает влияние электродинамической силы на перенос, что приводит к более раннему отрыву капли и, следовательно, снижению размеров капли. Перенос называется мелкокапельным, если d_к < d_э. При еще более значительном увеличении тока, активное пятно дуги охватывает не только торец, но и боковую поверхность электрода, которая также оплавляется. В результате конец электрода приобретает форму конуса, с вершины которого жидкий металл стекает мелкими частицами, образующими непрерывную струю. При мелкокапельном и струйном процессе перенос становится направленным вдоль оси электрода в сторону детали, разбрызгивание уменьшается, а формирование шва улучшается, особенно в вертикальном и потолочном положении. Ток, характеризующий переход к струйному переносу, назван критическим I_кр.

Разработано несколько технологических приемов для улучшения характера переноса. В тех случаях, когда нельзя увеличивать ток выше I_кр, можно обеспечить спокойный перенос крупных капель, переходя к обратной полярности дуги для уменьшения силы реактивного давления паров, используя электроды с основным или рутиловым покрытием. Другая группа приемов обеспечивает снижение I_кр, с тем чтобы перенос имел струйный характер. С этой целью на поверхность электрода наносят поверхностно-активные вещества или добавляют кислород в защитные газы для снижения сил поверхностного натяжения. Наконец, измельчению капель способствуют импульсные магнитные и механические воздействия, например, вибрация электрода. Ниже рассмотрены электротехнические приемы воздействия на перенос благодаря программному управлению силой сварочного тока с помощью источника.

Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне выполняется при подаче мощных пиковых импульсов тока (рис. 2.29, в). В результате резкого возрастания электродинамической силы происходит сбрасывание капли с диаметром d_к, существенно меньшим диаметра электрода d_э. Ток импульса I_и для надежного сбрасывания капли вместе с базовым током I_б должен превышать критический ток I_кр. Базовый ток I_б назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. Частоту подачи импульсов f_и = 1/Т и их длительность t_и подбирают так, чтобы каждым импульсом сбрасывать одну каплю.

Рис. 2.29. Перенос электродного металла: а — силы, действующие на каплю; б — зависимость частоты переноса и размеров капли от силы тока; в — осциллограмма тока при импульсно-дуговой сварке