За счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Ленца-Джоуля при протекании сварочного тока по вылету электрода, осуществляются нагрев и плавление электрода. Вылет – свободный участок электрода от места контакта с токопроводом до его торца. В начальный момент ручной дуговой сварки вылет электрода составляет 400 мм, изменяется при плавлении электрода; при автоматической сварке он равен 12-60 мм. Расплавляясь в процессе сварки, жидкий металл с торца электрода переходит в сварочную ванну в виде капель разного размера. За 1 с может переноситься от 1-2 до 150 капель и более в зависимости от размера. Независимо от основного положения сварки, капли жидкого металла всегда перемещаются вдоль оси электрода по направлению к сварочной ванне. Это объясняется действием на каплю разных сил в дуге. В первую очередь к ним относятся гравитационная сила, электромагнитная сила, возникающая при прохождении по электроду сварочного тока, сила поверхностного натяжения, давление образующихся внутри капли газов, которые отрывают ее от электрода и дробят на более мелкие капли.
Схематично перенос металла электрода можно представить в следующем виде:
- Металл на конце электрода подправляется, и образуется слой расплавленного металла
- Под действием сил поверхностного натяжения и силы тяжести этот слой металла принимает форму капли с образованием у основания тонкой шейки.
С течением времени поперечное сечение шейки капли уменьшается, что приводит к значительному увеличению плотности тока у шейки капли. Удлинение шейки продолжается до момента касания капли поверхности сварочной ванны. В этот момент происходит короткое замыкание сварочной цепи. Резкое возрастание тока приводит к разрыву шейки. Капля под давлением паров и газов зоны дуги с ускорением внедряется в жидкий металл сварочной ванны. При этом часть металла в виде брызг выбрасывается из зоны сварки. Затем процесс каплеобразования повторяется. Время горения дуги и короткого замыкания составляет примерно 0,02-0,05 с. Частота и продолжительность короткого замыкания в значительной степени зависят от длины сварочной дуги. Чем меньше длина дуги, тем больше коротких замыканий и тем они продолжительнее. От сварочного тока, состава и толщины электродного покрытия, положения шва зависят от формы и размеры капель металла. Перенос электродного металла крупными каплями происходит при сварке на малых токах электродами с тонким покрытием. Перенос металла в виде потока мельчайших капель происходит при больших плотностях сварочного тока и при использовании электродов с толстым покрытием. Электродное покрытие снижает поверхностное натяжение металла. Кроме того, газообразующие компоненты, выделяя большое количество газов, создают в зоне дуги повышенное давление, которое способствует размельчению капель жидкого металла. Газовое дутье, представляющее собой поток газов, направленный вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на процесс переноса капель металла в дуге. При сварке электродом с толстым покрытием стержень электрода плавится быстрее, и торец его оказывается немного прикрытым «чехольчиком» покрытия. При этом интенсивное газообразование в небольшом объеме «чехольчика» приводит к явлению газового дутья, ускоряющего переход капель металла в сварочную ванну. Влияние силы тяжести особенно сказывается при сварке нижних швов (способствует отрыву капель) и потолочных швов (препятствует переносу металла в шов).
Важным фактором, влияющим на перенос металла в дуге, являются электромагнитные силы. Плотность тока, проходящего через жидкую каплю, велика, поэтому сжимающее действие магнитного поля оказывается заметным. Магнитное поле ускоряет образование и сужение шейки капли, следовательно, и отрыв ее от торца электрода. Электрическое поле, напряженность которого направлена вдоль дуги в сторону сварочной ванны, действует на жидкую каплю, ускоряя процесс ее отрыва от торца электрода и переход в сварочную ванну металла. При потолочной сварке действием магнитного и электрического полей, а также явлением газового дутья в дуге обеспечивается перенос капель электродного металла на свариваемый шов. Шлаковую оболочку, которая образуется от плавления веществ, входящих в покрытие электрода, имеют капли металла, проходящие через дугу. Эта оболочка защищает металл капли от окисления и азотирования, обеспечивая хорошее качество металла шва. Доля электродного металла в составе металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварного шва. При ручной сварке доля электродного металла колеблется в широких пределах – 30-80%, при автоматической сварке она составляет 30-40%. В значительной степени производительность сварки зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления. Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла (г), расплавленного в течение одного часа, приходящегося на 1 А сварочного тока. Коэффициент расплавления зависит от ряда факторов, влияющих на процесс плавки электродного металла. При обратной полярности коэффициент расплавления больше, чем при прямой, так как на аноде выделяется больше теплоты и температура анода выше, чем у катода. На коэффициент расплавления влияют также состав покрытия и его толщина. Это объясняется, во-первых, значением эффективного потенциала ионизации газов; во-вторых, изменением баланса теплоты дугового промежутка. Коэффициент расплавления при ручной дуговой сварке составляет 6,5-14,5 г/(А х ч). Меньшие значения имеют электроды с тонким покрытием, большие- с толстым. Коэффициентом наплавки пользуются для оценки скорости сварки шва, оценивая количество электродного металла, введенного в свариваемый шов. Коэффициент наплавки меньше коэффициента расплавления на величину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке под флюсом потери составляют только 2-5% от количества расплавленного электродного металла. При этом значение этих коэффициентов позволяет произвести расчет необходимого количества электродного металла для сварки шва установленного сечения и определить скорость сварки шва.
Процесс переноса электродного металла
