Экспериментальное исследование процесса автосварки под флюсом при различных способах питания дуги

12.07.2018
В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования процесса сварки под флюсом, проведенного в 1943-1944 гг., показавшего, что под слоем флюса происходит чисто электродуговой процесс, в котором флюс практически не участвует.

Благодаря отсутствию в 1939-1940 гг. точного представления о характере процессов, протекающих под флюсом, первоначально для автосварки под флюсом была применена аппаратура, разработанная для автосварки открытой дугой.

Однако исследование процесса автосварки под флюсом, проведенное канд. техн. наук В.И. Дятловым, показало, что устойчивый процесс вполне возможен при постоянной скорости подачи электрода в зону сварки. Дальнейшие наши исследования показали, что при силах тока, больших 500 А, и при автосварке открытой дугой, сварочная дуга горит устойчиво, когда электрод подается в зону сварки с постоянной скоростью.

Было установлено, что при автосварке на больших токах дуговой промежуток настолько сильно ионизирован, что даже значительные отклонения длины дуги от заданной не нарушают устойчивого горения дуги.

Способы питания дуги сварочным током. Первоначально для питания дуги, горящей под слоем флюса, была применена обычная схема питания, применяемая при ручной сварке, характерная неизменным напряжением холостого хода сварочного трансформатора 65...70 В и значительным индуктивным сопротивлением дросселя в сварочной цепи. Данный способ дает относительно низкий коэффициент мощности и, следовательно, отличается нерациональным использованием электроэнергии. Как показали экспериментальные исследования, этот способ дает наибольшие изменения режима сварки и качества швов при колебаниях напряжения в сети.

С связи с наличием в сварочной цепи дросселя несовершенной конструкции данный способ не вполне надежен в эксплуатации.

В первой части настоящей работы мы приводим подробные результаты исследования процесса автосварки под флюсом при этом способе питания дуги.

Исследование дуги, горящей под флюсом, при больших силах тока, сделало возможным применение для автосварки схемы питания дуги без индуктивности дросселя в сварочной цепи. Этот способ является наиболее экономичным, так как при нем коэффициент мощности близок к единице и требуется только один сварочный трансформатор.

Однако при автосварке без индуктивности швы получаются хорошими по качеству только при определенных сварочных режимах, отсутствии зазоров, незначительном теплоотводе от места сварки и т. д. Поэтому данный способ применим не для всех объектов и видов швов. Результаты подробного исследования процесса автосварки при этом способе питания дуги приведены во 2-й части работы.

Дальнейшее исследование, проведенное Г.З. Волошкевичем, позволило применить для питания дуги, горящей под флюсом, третий способ — сварку на максимуме мощности. Этот способ дает наиболее устойчивое горение дуги. Случайные изменения длины дуги в процессе сварки значительно меньше отражаются на мощности дуги, чем при первых двух способах. Возбуждение дуги вполне устойчиво, так как для автосварки применяются большие силы тока, а дуговой промежуток изолирован от окружающей среды слоем флюса.

Сварка на максимуме мощности по сравнению с первым способом характерна пониженным напряжением холостого хода сварочного трансформатора и меньшей индуктивностью в сварочной цепи. Это позволяет исключить из сварочной цепи дроссель, создав повышенную индуктивность в трансформаторе за счет потоков рассеивания.

Вследствие этого сварка на максимуме мощности обладает хорошими экономическими и эксплуатационными показателями.

Опыт внедрения автосварки под флюсом показал, что обычно сварка производится при более или менее значительных колебаниях напряжения в сети. Поэтому наиболее правильно анализировать работу сварочных головок при различных способах питания дуги в условиях изменяющегося в сети напряжения. Исследования показали, что при всех головках и при всех способах питания дуги в условиях колебаний напряжения в сети изменяется мощность дуги. Это приводит к изменениям качества швов, различным в зависимости от типа головки и способа ее питания сварочным током.

В результате исследований выдвинут вопрос о создании новой, более совершенной сварочной головки, способной поддерживать постоянной мощность дуги и обе ее составляющие — напряжение на дуге и силу сварочного тока. Такая головка позволит применять автосварку под флюсом любых объектов, при любых режимах сварки и значительных колебаниях напряжения в сети.

Экспериментальное исследование процесса при наличии значительной индуктивности в сварочной цепи. Путем снятия большого числа осциллограмм при всевозможных режимах сварки мы установили, что под флюсом (АН-2 и АШ) происходит дуговой процесс, в котором флюс практически не участвует.

Рассмотрим, как протекает процесс при сварке под слоем флюса.

На рис. 1 представлены осциллограммы, снятые нами на шестишлейфовом осциллографе ЛXTH, при различных режимах сварки легированной стали малоуглеродистой проволокой на флюсе АН-2. Кроме того, при всех опытных сварках мы изучали форму кривых тока и напряжения на экране осциллоскопа. Рассматривая эти осциллограммы, мы видим:

1) процесс сварки под слоем флюса является чисто дуговым процессом, что совершенно ясно из рассмотрения кривых тока и напряжения;

2) на кривых напряжения совершенно не виден процесс переноса металла.

На осциллограммах ручной сварки (голым электродом. — Прим. ред.) этот процесс отражается в виде периодических коротких замыканий во время перехода капель с электрода на изделие. Отсутствие коротких замыканий и каких бы то ни было резких провалов на кривой напряжения любой величины во время сварки под флюсом заставляет предположить, что металл переносится мелкими каплями. Максимальный размер капли всегда меньше длины дугового промежутка;

3) флюс электрически не участвует в процессе. Наилучшим доказательством этого является полная идентичность показаний приборов и кривых напряжения и тока как при сварке под флюсом АН-2 и АШ, так и при сварке открытой дугой. При токах 500 А и выше имеет место саморегулирование длины и устойчивое горение открытой дуги. Описанный процесс устойчивого горения дуги как под флюсом, так и открытой дугой мы наблюдали при сварке головкой с постоянной скоростью подачи электрода на разных силах сварочного тока от 800 до 450 А при напряжениях на дуге от 22 до 36 В;

4) при напряжениях на дуге, превышающих 44 В, в каждом полу-периоде появляются разрывы на кривой тока (осциллограмма № 3). В отличие от осциллограмм № 1 и 2 напряжение на дуге не остается постоянным в процессе горения дуги, а растет с увеличением силы тока.
Экспериментальное исследование процесса автосварки под флюсом при различных способах питания дуги

Сварочная дуга под слоем флюса имеет вид, схематически представленный на рис. 2. Дуга отдает свою энергию электроду, основному металлу и флюсу. Расход энергии на угар, разбрызгивание и пр. отсутствует. Расплавленный металл ванны после прекращения действия сварочной дуги отдает тепло основному металлу и окружающим слоям флюса, постепенно затвердевая и охлаждаясь до температуры основного металла.

Количество энергии, идущей на плавление основного металла и флюса, подсчитать трудно, так как оно определяется многими факторами, резко отличающимися в различных случаях сварки. Например, соотношение между величинами энергии, идущими на плавление и нагрев основного металла и на плавление флюса, резко изменяется с изменением теплоотвода в основной металл. Для сравнения в табл. 1 приведем количество расплавленного флюса на погонный метр длины шва для двух случаев:

№ 1) сварка металла со значительным теплоотводом;

№ 2) сварка металла с резко ограниченным теплоотводом. Сварка производилась наплавкой валиков на узких тонких пластинках шириной 20 мм и толщиной 12 мм.

Вес расплавленного флюса определяется путем взвешивания корки шлака, снятой со шва. Увеличение количества расплавленного флюса при ограниченном теплоотводе в основной металл объясняется дополнительным количеством энергии, освободившейся для плавления флюса, за счет наступившего теплового насыщения свариваемого металла (пластинки 20x12 мм). Значительно легче подсчитать количество энергии, идущей на плавление электрода.

В практических расчетах режимов автоматической сварки пользуются формулой

где g — вес наплавленного металла, г/ч; I — сила сварочного тока, А; Kп — коэффициент плавления, г/(А*ч).

Из большого числа опытов мы выяснили, что величина коэффициента плавления зависит от напряжения на дуге, силы сварочного тока и «вылета» электродной проволоки за контактные точки мундштука, материала электрода и флюса и не зависит от увеличения напряжения сварочного трансформатора свыше 70 В и величины индуктивности.

Разберем отдельно влияние этих факторов на коэффициент плавления.

1. Напряжение на дуге. При прочих равных условиях напряжение на дуге определяется длиной дуги. Чем больше длина дуги, тем выше напряжение на дуге. С изменением длины дуги изменяется соотношение между энергией, расходуемой у поверхности электродов, т. е. на плавление электрода и основного металла, и энергией в столбе дуги, идущей в основном на плавление флюса. Чем больше длина дуги, тем большая часть энергии дуги расходуется в столбе, и тем соответственно меньшая часть энергии расходуется у поверхности электродов. Следовательно, при неизменной силе тока и «вылета» электрода коэффициент плавления достигает максимума при наименьшем напряжении на дуге, и наоборот.

2. Сила сварочного тока. При одном и том же диаметре электродной проволоки изменения силы сварочного тока приводят к изменениям плотности тока в этой проволоке. Плотность тока сказывается на степени предварительного разогрева участка проволоки, выступающего за контактные точки мундштука головки. Это влияет на скорость плавления электродной проволоки. Если «вылет» электрода приближается к нулю, коэффициент плавления перестает зависеть от силы сварочного тока и становится постоянной величиной.

Изменения силы тока сказываются также на степени ионизации дугового промежутка, что тоже отражается на величине коэффициента плавления. Итак, с увеличением силы тока коэффициент плавления возрастает, и наоборот.

3. «Вылет» электрода. Изменяя «вылет» электрода за контактные точки мундштука, мы тем самым изменяем время, в течение которого электрод находится под током. Это приводит к различному предварительному разогреву электрода, что и отражается на скорости его плавления, а следовательно, и на коэффициенте плавления. Нельзя считать, что количество энергии, расходуемой на предварительный разогрев проволоки, находится в прямой зависимости от «вылета», так как при изменениях «вылета» изменяется не только время нахождения электрода под током, но и сила этого тока. При введении того или иного участка разогретого электрода в сварочную цепь мы вводим в нее некоторое дополнительное омическое сопротивление, что и отражается на силе тока.

С увеличением «вылета» коэффициент плавления возрастает, одновременно с этим сила тока несколько уменьшается. С уменьшением «вылета» электрода коэффициент плавления уменьшается, одновременно с этим сила тока несколько возрастает.

График зависимости коэффициента плавления от силы сварочного тока и напряжения на дуге показан на рис. 3.

Длина столба дуги является основным фактором, определяющим распределение энергии дуги на 1) выделяемую у поверхности электродов, идущую в основном на их нагрев и плавление, и 2) выделяемую в столбе дуги, которая путем излучения и конвекции передается окружающей среде.

Экспериментальное исследование длины дуги. Наши наблюдения за процессом сварки открытой дугой, особенно за глубиной кратера, показали, что при токах, которые обычно применяются для сварки под слоем флюса (выше 500 А), столб дуги значительной своей частью располагается в свариваемом металле. Такое расположение столба дуги естественно предположить и при сварке под слоем флюса.

В дальнейшем часть столба дуги, находящуюся в основном металле (равную глубине кратера), будем называть скрытой составляющей длины дуги, или сокращенно скрытой длиной дуги, а часть, расположенную над поверхностью свариваемого изделия, назовем внешней составляющей длины дуги, или сокращенно внешней длиной дуги.

За величину внешней составляющей длины дуги мы принимаем расстояние от поверхности свариваемого металла до нижней точки конца электрода.

Следовательно, для определения внешней длины дуги необходимо фиксировать в процессе сварки положение, которое занимает конец электродной проволоки относительно изделия. Для этой цели необходимо одновременно прекратить плавление и подачу электродной проволоки.

Скрытую составляющую длины дуги, равную глубине кратера, из-за практической невозможности ее точного определения мы условно принимали равной глубине провара и определяли по макрошлифам. В дальнейшем следует помнить, что приведенные цифры по величине скрытой длины дуги всегда будут преувеличены.

Нас интересовало выяснить зависимость полной длины дуги и ее внешней и скрытой составляющей от режима сварки — напряжения на дуге, силы сварочного тока, скорости сварки, а также от диаметра электродной проволоки и грануляции флюса. Зная эти зависимости, можно выяснить, как сказываются изменения полной длины дуги и отдельных ее составляющих на устойчивости процесса сварки и на основных параметрах автосварного шва.

Рассмотрим каждую зависимость отдельно.

На основании данных опытов на рис. 4 построены кривые зависимости:

На рис. 5 по данным опытных сварок построены кривые:

Как видно из кривых, величина полной длины дуги определяется в основном напряжением на дуге. Чем выше напряжение, тем больше длина дуги. Наибольшая интенсивность изменения полной длины дуги при малых напряжениях на дуге составляет 0,75 мм на 1 В. С ростом напряжения на дуге она понижается до 0,4 мм на 1 В.

Скрытая длина дуги (глубина провара), как видно из кривых, в исследованных пределах практически не зависит от напряжения на дуге. Правда, при низких напряжениях (меньше 26 В) и при высоких напряжениях (выше 36 В) заметно незначительное уменьшение lск.

Внешняя длина дуги с изменением напряжения на дуге изменяется с одинаковой интенсивностью для всего исследованного нами диапазона режимов сварки. Чем выше напряжение на дуге, тем больше внешняя длина дуги.


Изменение силы сварочного тока мало сказывается на величине полной длины дуги. Больше того, можно предположить, что наблюдаемые изменения полной длины дуги в этом случае вообще являются фиктивными и объясняются возросшей разницей между глубиной провара и глубиной кратера. Действительно, с ростом силы тока при наплавках на пластину сравнительно небольшой толщины (20 мм), интенсивность охлаждения кратера уменьшается с приближением его глубины к толщине детали. При этом нагревается до температур плавления больший объем металла, примыкающего к кратеру, и глубина провара возрастает. Высказанное предположение подтверждается тем, что изменение полной длины дуги особенно существенно при больших глубинах провара, приближающихся к толщине детали.

Как видно из кривых рис. 5, изменение силы тока вызывает особенно интенсивное изменение скрытой длины дуги (глубины провара). Это также подтверждается многими другими экспериментальными данными. Интенсивность изменения скрытой длины дуги возрастает с ростом силы тока. Это обстоятельство и вызывает кажущееся изменение полной длины дуги.

Внешняя длина дуги изменяется с изменением силы сварочного тока по прямолинейному закону, причем чем больше сила тока, тем меньше внешняя длинна дуги.

Особо следует остановиться на тех режимах, при которых внешняя длина дуги становится равной нулю или конец электрода погружается в основной металл, т. е. вся дуга становится скрытой. Если электрод погружается в кратер, то длина дуги становится меньше глубины кратера в основном металле.

Режимы сварки, при которых полная длина дуги меньше глубины кратера, характерны чрезмерно большой для данного напряжения на дуге силой тока.

О практической негодности таких режимов скажем дальше.

Необходимо отметить, что независимость скрытой длины дуги от напряжения на дуге сохраняется только при наличии внешней длины дуги. По внешней длине дуги, равной нулю, изменение напряжения на дуге происходит при изменении скрытой длины дуги. При сравнении внешнего и скрытого расположения дуги можно установить, что величина напряжения на дуге при одинаковых полных длинах дуг остается постоянной.

Полная длина дуги от скорости сварки практически не зависит. Ho скорость сварки существенным образом сказывается на расположении дуги относительно поверхности свариваемого изделия, т. е. влияет на величину скрытой и внешней составляющей длины дуги.

При увеличении скорости сварки внешняя длина дуги растет, а скрытая длина дуги уменьшается. Прирост внешней длины дуги равен уменьшению скрытой длины дуги. Следовательно, при увеличении скорости сварки дуга, сохраняя свою длину, выходит из основного металла благодаря уменьшению глубины кратера.

Некоторое уменьшение полной длины дуги при увеличении скорости сварки очевидно также объясняется более сильным охлаждением кратера с уменьшением его глубины.

Сравнение влияния на длину дуги скорости сварки и силы тока показывает, что в обоих случаях изменения длины дуги происходят за счет изменения глубины кратера.

Определение зависимости длины дуги от диаметра электродной проволоки производилось при сварке на одинаковых режимах (Uд, Iсв, vсв) электродной проволокой диаметром 4, 5 и 8 мм.

Изменение диаметра электрода при неизменном режиме сварки сопровождается изменением как полной длины дуги, так и отдельных ее составляющих. Наибольшие изменения при этом претерпевает внешняя длина дуги. Скрытая длина дуги изменяется значительно меньше. При увеличении диаметра электродной проволоки дуга удлиняется и как бы выходит из основного металла на поверхность.

Грануляция флюса. Опытные сварки производились на трех фракциях флюса АН-2: мелкой, средней и крупной.

Крупную фракцию составлял флюс, оставшийся на сите 16 отв/см2, прошедший через сито 12 отв/см2. Средняя фракция определялась ситами 16 и 40 отв/см2, мелкую фракцию составлял флюс, прошедший через сито 400 отв /см2.

Исследования показали, что степень грануляции практически не влияет на полную длину дуги, но существенным образом сказывается на величине отдельных ее составляющих. С ростом величины зерна флюса уменьшается скрытая длина дуги, и за этот счет увеличивается внешняя длина дуги. При этом изменяются размеры сварного шва.

Наиболее интенсивно изменяется ширина валика. С увеличением крупности зерна увеличивается количество расплавленного флюса и ширина валика шва. Однако увеличение зерна флюса может производиться только до определенного предела, после чего горение дуги становится неспокойным. Сквозь слой флюса прорываются пламя и газы, наблюдаются обрывы дуги.

С ухудшением условий ионизации столба дуги увеличивается ее омическое сопротивление. Этим можно объяснить некоторый рост напряжения на дуге при неизменной ее длине, наблюдаемый при увеличении зерна флюса.

Практическая неизменность силы сварочного тока при изменениях величины зерна флюса объясняется тем, что незначительные изменения омического сопротивления дуги не отражаются на величине полного сопротивления сварочной цепи, содержащей значительную индуктивность дросселя.

С ростом зерна флюса глубина провара благодаря уменьшению кратера дуги уменьшается.

Площадь провара изменяется относительно мало, что объясняется одновременным, с уменьшением глубины провара, ростом ширины шва.

Следовательно, путем изменения величины зерна флюса можно добиться изменения размеров шва.

Наиболее вероятным объяснением перераспределения внешней и внутренней составляющих длины дуги, с изменением величины зерна флюса, является следующее: с увеличением зерна флюса повышается расход энергии на его плавление. Степень ионизации столба дуги уменьшается, охлаждение кратера увеличивается, поэтому его глубина несколько уменьшается, а внешняя длина дуги увеличивается, что приводит к увеличению количества расплавленного флюса.

Влияние длины дуги на устойчивость процесса сварки и формирование шва. Полная длина дуги, ее внешняя и скрытая составляющие определяют распределение энергии в дуге. Изменения длины дуги, связанные с изменением режима сварки, сильно сказываются на устойчивости процесса сварки и на формировании шва.

Устойчивость процесса сварки зависит от силы тока, напряжения на дуге и диаметра электродной проволоки. При малых силах тока (меньше 400 А) дуга горит устойчиво на низких напряжениях, т. е. при небольшой длине дуги, и неустойчиво на высоких напряжениях, т. е. при длинной дуге.

При длинной дуге и малой ее мощности сильное охлаждение столба дуги приводит к снижению его проводимости, и дуга гаснет.

При низких напряжениях на дуге и малых силах тока дуга укорачивается и горит устойчиво, однако до известного предела. Этот предел определяется режимом, при котором внешняя длина дуги становится равной нулю. При этом горение дуги нарушается короткими замыканиями в сварочной цепи. Напряжение на дуге, при котором внешняя длина дуги становится равной нулю, зависит от глубины кратера, которая при данных условиях сварки определяется силой тока. Поэтому чем меньше сила сварочного тока, тем ниже напряжение, при котором дуга горит устойчиво.

При больших силах тока изменение устойчивости дуги происходит совершенно аналогично с той только разницей, что внешняя длина дуги становится равной нулю при относительно больших напряжениях на дуге. Полная длина дуги в этом случае имеет значительную величину (больше 10 мм).

С увеличением диаметра электродной проволоки при неизменных силе тока и напряжении на дуге уменьшается глубина кратера и увеличивается внешняя длина дуги. Поэтому при увеличении силы тока для возможности сварки на нормальных напряжениях необходимо увеличивать диаметр электродной проволоки.

Однако следует помнить, что горение дуги при несоответственно малой для данного диаметра электродной проволоки, силе тока протекает крайне неустойчиво. Снижение устойчивости происходит, вероятно, потому, что катодное пятно становится значительно меньше сечения электрода, который из-за этого не плавится равномерно по всей поверхности.

Основным фактором, определяющим формирование шва, также является внешняя составляющая длины дуги.

Она в основном определяет количество расплавленного флюса и разогрев поверхности основного металла, т. е. в конечном счете ширину провара. Практически установлено, что швы формируются лучше всего при соотношении между высотой и шириной валика равной 1:7.

Режимы сварки, обеспечивающие данное соотношение, характеризуются также высокой устойчивостью процесса.

Для электродной проволоки диаметром 5 мм эти режимы получаются при следующих значениях силы тока и напряжения на дуге:

Все эти режимы характеризуются одинаковой внешней длиной дуги равной 5...6 мм.

Таким образом, наличие внешней длины дуги определяет устойчивость процесса, а ее величина определяет форму валика.

Выводы

1. Полная длина дуги зависит от напряжения на дуге и диаметра электродной проволоки. Чем они больше, тем больше длина дуги.

Уменьшение зерна флюса при поддержании постоянного напряжения на дуге также увеличивает длину дуги.

2. Скрытая длина дуги определяется для большинства режимов глубиной кратера и изменяется в зависимости от силы тока, скорости сварки, диаметра электрода и грануляции флюса. С ростом силы тока она увеличивается и уменьшается с увеличением скорости сварки, диаметра электрода и грануляции флюса.

3. Внешняя длина дуги изменяется при изменении напряжения на дуге, силы тока, скорости сварки, диаметра электрода и грануляции флюса.

С увеличением Uд, vсв, dэл и грануляции флюса внешняя длина дуги увеличивается. С увеличением силы тока внешняя длина дуги уменьшается.

Следует разбить факторы, вызывающие изменение внешней длины дуги, на две группы. К первой группе относятся напряжения на дуге и диаметр электродной проволоки, ко второй — сила тока, скорость сварки и грануляция флюса.

При изменении факторов первой группы изменяется полная длина дуги, а изменения внешней длины дуги происходят как за счет роста полной длины дуги, так и за счет изменения соотношения между отдельными составляющими длины дуги.

При изменении факторов второй группы полная длина дуги практически неизменна, и внешняя длина дуги изменяется только за счет изменения скрытой длины дуги.

4. Указанные в первых трех выводах закономерности не относятся к режимам сварки, при которых внешняя составляющая длины дуги отрицательна.

Исследование длины дуги при этих режимах крайне затруднено и нами не проводилось.

5. Внешняя длина дуги является основным фактором, определяющим формирование шва и устойчивость процесса сварки.

Форма шва при различных режимах, но при одинаковой внешней длине дуги является постоянной.

Оптимальные по устойчивости процесса и формированию шва режимы сварки соответствуют внешней длине дуги, равной 4...6 мм.

Экспериментальное исследование процесса при отсутствии индуктивности в сварочной цепи. Как известно, индуктивное сопротивление, включенное в цепь дуги переменного тока, создает условия для непрерывного горения дуги, попеременно накапливая и отдавая электромагнитную энергию.

Экспериментальным путем мы убедились в том, что при некоторых условиях процесс сварки устойчив и при отсутствии всякого дополнительного сопротивления в сварочной цепи. В этом случае напряжение сваркц практически равно напряжению низкой стороны сварочного трансформатора.

Об этом же говорят также данные канд. техн. наук В.И. Дятлова, опубликованные в октябре 1943 г. в «экспресс-информации» ЦНИИ-48. Совершенно очевидно, что для сварки без индуктивности должны применяться головки с постоянной скоростью подачи. Можно также применять головки с автоматически регулируемой скоростью подачи, которые при имеющем место в данном случае неизменном напряжении сварки работают как головки с постоянной скоростью подачи. Действительно, в данном случае напряжение на дуге, т. е. напряжение вторичной стороны свароного трансформатора, неизменно и колеблется лишь в пределах, определяемых изменениями падения напряжения во вторичной цепи трансформатора при колебаниях силы тока.

Процесс сварки в этом случае вполне устойчив и дает качественные швы при следующих силах тока в зависимости от диаметра электродной проволоки: 500...750 А для проволоки диаметром 4 мм; 550...900 А для проволоки 5 мм; 650...1200 А для проволоки 6 мм.

Неустойчивость процесса при малых силах тока проявляется в виде частых обрывов дуги. Последующие возбуждения дуги происходят после соприкосновения расплавленного шлака с оплавленным концом электрода, который непрерывно подается в зону сварки с неизменной скоростью.

Характер процесса хорошо виден на осциллограммах (рис. 6), записанных при трех режимах сварки малоуглеродистой проволокой диаметром 5 мм на флюсе АН-2. Рассматривая осциллограммы на рис. 6, мы видим, что:

1. Процесс сварки является чисто дуговым процессом с разрывами тока в каждом полу периоде.

2. Напряжение зажигания не на много превышает напряжение, при котором дуга гаснет.

Незначительную величину напряжения зажигания дуги можно объяснить высокой степенью ионизации дугового промежутка под действием: 1) больших сил сварочного тока и 2) слоя флюса, который изолирует дугу от холодного окружающего воздуха.

Относительно устойчивое первоначальное возбуждение дуги при низком напряжении холостого хода объясняется громадным количеством тепла, выделяющимся в месте контакта электрода с основным металлом при протекании тока короткого замыкания, не ограничиваемого индуктивностью.

В момент затухания дуги напряжение ниже, чем в момент ее зажигания. Соответственно с этим время, в течение которого отсутствует ток, в начале каждого полупериода больше, чем в конце. Эта разница тем значительнее, чем выше напряжение на дуге и ниже сила сварочного тока. Наиболее вероятно это объясняется неодинаковым тепловым состоянием кратера в электроде и основном металле. За время горения дуги они успевают сильно разогреться, что способствует горению дуги при более низких напряжениях. За время перерывов в горении дуги кратеры электродов успевают несколько охладиться, благодаря чему для возбуждения дуги требуется повышенное напряжение. Кроме того, это может быть объяснено неодинаковой степенью ионизации дугового промежутка в начале и в конце горения дуги.

3. Во время горения дуги напряжение на дуге несколько возрастает с ростом тока, что соответствует самому дуговому процессу. Напряжение низкой стороны сварочного трансформатора является собственно напрев жением сварки. Несинусоидальная форма кривой напряжения низкой стороны сварочного трансформатора при питании его синусоидальным напряжением объясняется искаженной формой кривой магнитного потока. Это объясняется искажением кривой намагничивающего тока из-за наличия дуги в цепи трансформатора.

4. На кривых напряжения так же, как и при сварке с индуктивностью в сварочной цепи, совершенно не отражается процесс переноса металла.

На кривой напряжения отсутствуют характерные для процесса ручной сварки зубцы и провалы, связанные с полным либо частичным замыканием дугового промежутка каплями металла электрода. Можно предполагать, что в данном случае процесс переноса металла мелкокапельный, причем максимальный размер капли всегда меньше длины дугового промежутка.

5. Флюс АН-2 и АШ практически не участвует в процессе сварки. При проведении опытных сварок мы обнаружили, что при силах тока

600...800 А процесс практически устойчив и при выходе дуги из флюса, т. е. при переходе на сварку открытой дугой.

Эффективные значения напряжения сварки и силы сварочного тока, фиксируемые приборами, остаются совершенно одинаковыми как при сварке закрытой дугой под слоем флюса, так и при сварке открытой дугой. Совершенно одинаковыми остаются и кривые тока и напряжения, фиксируемые на осциллограммах.

Это говорит о том, что в процессе сварки без индуктивности в сварочной цепи флюс практически не участвует, несмотря на прерывистое горение дуги.

При отсутствии индуктивности в сварочной цепи при сварке открытой дугой кривые тока получались менее устойчивыми, чем при сварке под слоем флюса. Это объясняется неспокойным горением дуги (разбрызгивание и пр.) при больших силах тока, примененных в процессе сварки открытой дугой без индуктивности, а также меньшей степенью ионизации дугового промежутка.

Экспериментальное исследование длины дуги. Экспериментально установлено, что кратковременные короткие замыкания, появляющиеся в сварочной цепи без индуктивности, зависят от силы сварочного тока и от напряжения сварки. Чем больше сила тока, тем выше должно быть напряжение сварки. Сравнивая процесс сварки с индуктивностью и без нее, можно заметить, что при одинаковых силах тока устойчивый процесс сварки при отсутствии индуктивности возможен на значительно меньшем диапазоне напряжений сварки.

Как было установлено, устойчивость процесса при различных напряжениях на дуге определяется величиной полной длины дуги и соотношением ее внешней и скрытой составляющих. Поэтому причину уменьшения диапазона напряжений сварки, обеспечивающих устойчивый процесс сварки, следует также искать в изменениях длины дуги. Мы исследовали зависимость длины дуги от напряжения сварки и силы сварочного тока при отсутствии индуктивности.

Для того чтобы результаты замеров длины дуги были сравнимы с результатами, полученными в первой части работы, методика, режимы сварки в условия опытов выбраны одни и те же.

При одинаковых напряжениях на дуге внешняя и полная длина дуги при отсутствии индуктивности в сварочной цепи меньше, чем при наличии индуктивности. Закон изменения длины дуги с изменением напряжения сварки и силы тока сохраняется примерно таким же, как и в случае сварки с индуктивностью. Меньшая внешняя длина дуги при сварке без индуктивности означает, что для получения хорошо сформированных швов необходимо применять более высокое напряжение сварки.

На устойчивых силах тока при всех практически применяемых напряжениях сварки внешняя длина дуги больше нуля.

Неустойчивость процесса при повышении напряжения сварки при токах ниже 600 А в случае отсутствия индуктивности в сварочной цепи проявляется значительно раньше, чем при наличии индуктивности. Объясняется это более интенсивным охлаждением столба дуги вследствие прерывистого горения. Изменение внешней длины дуги должно сказываться на количестве расплавленного флюса. Количество расплавленного флюса при одном и том же напряжении сварки уменьшается с ростом силы тока.

Режимы сварки, рекомендуемые для проволоки диаметром 5 мм, указаны в табл. 2.

Однако и при приведенных режимах могут получиться некачественные швы. К причинам, вызывающим ухудшение качества швов при сварке без индуктивности, следует отнести:

а) наличие зазоров и выхватов в кромках свариваемых листов. При сварке по зазорам дуга часто «проваливается» в зазор. При этом дуга резко удлиняется, и для поддержания ее горения необходимо резкое повышение напряжения сварки. Однако при сварке без индуктивности напряжение сварки практически равно напряжению источника, в связи с чем неоткуда получить дополнительное напряжение для поддержания горения дуги. Дуга кратковременно гаснет. Проволока продолжает подаваться в зону сварки с прежней скоростью. Конец электрода касается изделия либо расплавленного флюса. В сварочной цепи протекает ток короткого замыкания, и электрод несколько оплавляется у изделия, после чего возникает дуга, и процесс сварки продолжается до следующего нарушения. Такие нарушения процесса связаны с резкими изменениями глубины провара, количества расплавленного флюса и ширины шва. Шов при этом формируется плохо;

б) повышение скорости сварки. При больших скоростях сварки дуга быстро перемещается по холодному основному металлу, благодаря чему сильно понижается устойчивость ее горения. Появляются частые обрывы дуги, приводящие к резким колебаниям глубины провара и непроварам вершины шва;

в) большой отвод тепла в массу свариваемого изделия. Большое количество тепла, выделяемого в столбе дуги, расходуется на нагрев основного металла. Количество энергии, расходуемой на плавление флюса, уменьшается, в связи с чем резко ухудшаются условия формирования шва. При сварке с индуктивностью это явление сказывается значительно меньше, так как внешняя составляющая длины дуги больше.

На основании изложенного мы приходим к выводу, что сварка без индуктивности в производственных условиях может быть применена только при качественной сборке, незначительном отводе тепла в изделие и относительно малых скоростях сварки.