Влияние короткого замыкания дугового промежутка электродным металлом на стойкость процесса сварки

Нарушение стабильного процесса сваривания принудительной подачей плавящегося электрода происходит не только за счет известных процессов распада плазмы дуги при переходе сварочного тока через нуль и рассмотренного предварительно процесса деионизации дугового промежутка во время пролета капли расплавленного электродного металла через дуговой промежуток. Действительно, тяжело объяснить, почему движение электрода может быть связано с необходимым напряжением для повторного зажигания дуги. Более того, не ясно, почему движение электрода, при котором длина дугового промежутка сокращается, требует импульса большей энергии, чем неподвижный или малоподвижный электрод.

С целью углубления представления об этих явлениях и поиске дополнительных причин нарушения стойкости процесса сваривания был исследован процесс сваривания электродами марки УОНИ-13/55 05 мм и плавящейся электродной проволокой марки Св-08Г2СА 01,6 мм в углекислом газе. Для сваривания применялся сварочный трансформатор, который разрешает регулировать и_хх в широких пределах от 30 до 80 В. Неблагоприятные условия, которые приводят к нарушению стойкого процесса, создавались как за счет снижения напряжения и_хх трансформатора, так и путем отклонения от рекомендованного режима сваривания в сторону уменьшения сварочного тока. Так, например, сваривание электродами марки УОНИ-13/55 05 мм осуществлялось при рекомендованном токе 200...210 А, а также на неблагоприятных токах 180 А, 170 А, 160 А, 130 А, 120 А при и_хх=36 В. Сварочный ток регулировался величиной индуктивности дросселя, включенного последовательно в сварочную цепь. Длину дуги старались поддерживать приблизительно постоянной. Сварка велась методом опирания на втулку нерасплавленного покрытия электрода, не считая удлинений, связанных с капельным переносом электродного металла.

Установлено, что ручная дуговая сварка электродами марки УОНИ- 13/55 на переменном токе устойчивая в диапазоне токов 130...200 А. Имеют место кратковременные возмущения параметров режима сваривания, которые не приводят, однако, к нарушению процесса. Эти возмущения бывают двух видов:

Возмущения, которые длятся 1-2 полупериода и приводят к уменьшению амплитуды тока, появлению "полочек" тока при его переходе через нуль, сопровождаются увеличением пиков напряжения зажигания.
Возмущения, которые наблюдаются, как правило, при переходе тока через нуль и отличаются последующим увеличением амплитуды тока выше средней вследствие замыкания накоротко дугового промежутка, сопровождаются уменьшением падения напряжения на дуговом промежутке практически до нуля и длятся до полупериода.

Причина возмущений первого вида - любое удлинение дуги, в том числе и отрыв больших капель расплавленного металла от электрода, второго вида - замыкание накоротко дугового промежутка каплей жидкого металла.

Отметим, что при сваривании на режимах, близких к рекомендованным для данного диаметра и типа электрода (210...180 А), пики напряжения зажигания практически отсутствуют. Это значит, что сварочный трансформатор обеспечивает надежные повторные зажигания дуги.

Замыкания, как правило, начинаются в конце или в начале полупериода переменного тока. Они связаны с переходом металла в сварочную ванну. При ручном дуговом сваривании обоснованно считают, что скорость подачи электрода для поддержания необходимой длины дугового промежутка пренебрежительно мала по сравнению со скоростью перехода капли металла в ванну, и электрод за время перехода капли в ванну считают неподвижным. Замыкания дугового промежутка, которые наблюдаются при переходе сварочного тока через нуль, как кратковременные (на токах 210...200 А), так и продолжительные (на токах 190 А, 180 А, 170 А, 160 А, 140 А) не нарушают процесса сваривания. После окончания короткого замыкания дуга, как правило, появляется без пика зажигания. Из осциллограмм видно, что продолжительные короткие замыкания (полупериод и больше) наблюдаются при токе сваривания меньше рекомендованного для данного диаметра электрода. С уменьшением сварочного тока к величинам значительно меньше рекомендованных начинают появляться пики зажигания, а при токе 120 А возникают обрывы дуги, которые наблюдаются, как правило, если электрод становится анодом, а пластина - катодом. По всей видимости, замыкания дугового промежутка, начала которых совпадают с окончанием полуволны тока, при ручном дуговом сваривании практически не нарушают процесса.

Аналогично описанному выше, исследовался процесс сваривания в СО2 на форсированных режимах. Даже в случае форсированных режимов появление короткого замыкания в момент перехода тока через нуль закономерно. Это явление возможно объяснить так. При сваривании постоянным током давление дуги на ванну постоянно. При сваривании переменным током давление дуги изменяется с частотой переменного тока. Если синусоида переменного тока пересекает нуль, давление дуги падает до нуля, капля расплавленного металла на электроде стремится провиснуть вдоль его оси, а расплавленный металл ванны подтечь под торец электрода и заполнить переднюю часть ванны. При этом должен резко уменьшиться дуговой промежуток, чем создаются благоприятные условия для столкновения капли с ванной. Если же капля не успела образоваться, то с ванной сталкивается торец электрода. Однако нельзя ожидать, что частота этих коротких замыканий будет равняться частоте переменного тока. Возможность столкновения капли с ванной зависит не только от уменьшения давления дуги на ванну, но и от количества расплавленного металла электрода и ванны, скорости движения дуги по поверхности ванны, глубины погружения в ванну, текучести расплавленного металла, скорости его остывания и от других обстоятельств, взаимодействие которых разбирать здесь не будем. Этот, на первый взгляд, случайный процесс возникновения коротких замыканий все-таки стационарный, что разрешает с определенной степенью приближения говорить о частоте таких замыканий и зависимости частоты от параметров процесса сваривания. Как видно из осциллограмм, короткие замыкания при сваривании в СО2 на переменном токе в диапазоне рабочих режимов неминуемы.

Если при ручном дуговом сваривании плавким электродом короткие замыкания, которые возникают в конце или в начале полупериода, не являются причиной нарушения процесса (в этом случае процесс чаще нарушается через удлинение дуги при отрыве большой капли в конце полупериода или при чрезмерном увеличении втулки покрытия электрода, которая не расплавилась), то при сваривании с постоянной скоростью подавания электродного провода эти замыкания очень часто нарушают процесс сваривания. Дело в том, что электромагнитная сила, которая сжимает жидкую перемычку между каплей и электродом, при переходе тока через нуль тоже равняется нулю в отличие от сваривания постоянным током, где она действует постоянно. Вероятность нарушения процесса возрастает, если момент разрыва перемычки совпадает с моментом равенства нулю электромагнитной силы. Поэтому при маленьких токах еще увеличивается опасность того, что нерасплавленный провод соприкоснется с зеркалом ванны раньше, чем электромагнитная сила создаст условия для разрушения жидкой перемычки, то есть увеличится вероятность перехода непродолжительного короткого замыкания в продолжительное. За время короткого замыкания сварочная ванна вокруг электрода, который погрузился в нее, может остыть под охлаждающим влиянием электродного провода, если скорость его подачи составляет 500...1000 м/ч. При такой скорости подачи торец электродного провода за время короткого замыкания успевает пройти расстояния, близкие к диаметрам капель. С точки зрения возможности нарушения процесса сваривания опасность представляют замыкания не только через большие, но и через мелкие капли, которые висят на торце электрода. В случае мелкой капли вероятность столкновения нерасплавленного торца электрода с зеркалом ванны возрастает в связи с уменьшением расстояния, которое для этого должен пройти торец электрода. Наибольшую опасность представляют замыкания торца электрода без капли с ванной жидкого металла, которая поднялась к нему навстречу во время перехода тока через нуль. В этом случае жидкой перемычки нет и будет нужно значительное усилие, чтобы оттолкнуть жидкую ванну от электрода.

Чем меньше продолжительность короткого замыкания, тем меньше вероятность нарушения процесса. Поэтому все средства сокращения продолжительности короткого замыкания при переходе сварочного тока через нуль содействуют стойкости процесса сваривания.

На основании изложенного становится понятно, почему для стабилизации процесса сваривания электродной проволокой, которая подается с постоянной скоростью, приходится повышать напряжение. Если синусоида тока проходит через нуль, а дуговой промежуток заперт жидкой перемычкой металла, последнюю нужно разрушить раньше, чем торец электрода, который не расплавился, затронет поверхность жидкой ванны. Обеспечить такое разрушение только за счет увеличения напряжения при сравнительно небольшом токе нельзя. Дело в том, что жидкая перемычка получается в момент прохождения тока через нуль не всегда. При большом токе короткого замыкания выделения энергии длится сравнительно долго, что может привести к выбросам металла из ванны и общему увеличению разбрызгивания. В результате межэлектродный промежуток увеличится и дуга оборвется.

Избежать этого можно путем заметного сокращения короткого замыкания. При этом обеспечивается ток, необходимый для разрушения жидкой перемычки, напряжение, необходимое для повторного зажигания дуги и довольно маленькое время выделения энергии.

Так как процессы, которые приводят к разрушению жидкой перемычки, определяются не напряжением, а током, то задачу разрушения перемычек следует решать за счет источника или устройства, которое обеспечивает в запертой накоротко сварочной цепи необходимый ток. Стандартные же сварочные трансформаторы с крутопадающей характеристикой очень часто не обеспечивают своевременного разрушения перемычки из-за недостаточного тока короткого замыкания. Инверторные источники питания с регулированной динамической характеристикой наиболее отвечают поставленной задаче.

Обсудить на форуме