Факторы глубины проплавления


В других статьях мы уже говорили о сплавлении металла, глубине проплавления и о том, когда большая глубина проплавления может оказаться полезной или вредной. От каких факторов заивит глубина пролавления? Как ее можно регулировать?

Глубина проплавления — это расстояние, на которое наплавленный металл проникает в основной металл или в материал предыдущего прохода во время сварки. На Рисунке 1 показано поперечное сечение углового шва, на котором хорошо виден профиль проплавления.

Больше всего глубина проплавления зависит от силы сварочного тока (которая измеряется в амперах, или А). По мере увеличения силы сварочного тока глубина проплавления возрастает, по мере снижения — уменьшается. На Рисунке 2 показаны три сварные шва, сделанные на разных токах, но при тех же остальных настройках.

Факторы глубины проплавления 

Факторы глубины проплавления 

 Рисунок 1

 Рисунок 2

 

В процессах сварки на падающей вольтамперной характеристике (СС) сила тока является главной регулируемой переменной. Но случае процессов на жесткой ВАХ (CV) главными регулируемыми параметрами являются напряжение сварочного тока и скорость подачи сварочной проволоки, а сила тока варьируется с учетом скорости подачи проволоки. При увеличении скорости подачи сила тока для данного типа и диаметра проволоки также увеличивается. Соответственно, при снижении скорости подачи проволоки сила тока снижается.

Также существует еще несколько параметров, которые тоже влияют на глубину проплавления. Ниже мы обсудим, какое влияние эти параметры оказывают на глубину проплавления (при прочих равных). Заметьте, что на Рисунке 2 выше, а также на Рисунках 3, 5, 6 и 7, показаны сечения швов, выполненных с помощью сварки под слоем флюса (subarc). Сварка под флюсом была выбрана, чтобы продемонстрировать влияние различных параметров сварки (или его отсутствие), потому что в этом режиме оно выражено намного сильнее. Сварка под флюсом обычно проходит на высоких токах, высокой скорости подачи проволоки, относительно высоком напряжении и с применением проволоки большого диаметра. Хотя изменение этих параметров влияет на глубину проплавления и в других процессах, из-за более низкого сварочного тока и т. д. разница окажется не настолько большой.

  • Полярность: глубина проплавления зависит от полярности сварочного тока. В большинстве случаев большая глубина проплавления достигается на постоянном токе обратной полярности (DC+), потому что дуга оказывается лучше сфокусирована на рабочей поверхности. Соответственно, постоянный ток прямой полярности обеспечивает меньшую глубину проплавления, потому что энергия дуги в основном поступает в электрод или проволоку, а не в рабочую пластину. Это относится к ручной дуговой сварке (SMAW), сварке в защитных газах (MIG/MAG), сварке порошковой проволокой (FCAW) и сварке под флюсом (SAW) (см. Рисунок 3). Исключением является аргонодуговая сварка (TIG), в случае которой влияние полярности на глубину проплавления полностью противоположно. В случае аргонодуговой сварки прямая полярность обеспечивает большую глубину проплавления (обратная в этом режиме обычно не используется).

    Некоторые новые модели источников для SAW-сварки дают возможность регулировать форму волны переменного сварочного тока, чтобы добиться оптимальной стабильности дуги и регулировать производительность наплавки и глубину проплавления.  Также они позволяют контролировать баланс переменного тока, смещение и частоту тока, что дает еще более широкие возможности контроля над характеристиками сварки.

Факторы глубины проплавления 

Рисунок 3

  • Процесс сварки: различные процессы сварки имеют разные характеристики проплавления. Например, SAW, FCAW и MIG/MAG (в режиме крупнокапельного, струйного или импульсного переноса металла) считаются процессами с большей глубиной проплавления. TIG, MIG-C (металлопорошковой проволокой) и MIG/MAG (в режиме переноса металла короткими замыканиями), напротив, считаются процессами с меньшей глубиной проплавления. Конечно, это также зависит от силы тока. Например, процесс сварки под флюсом обычно проходит на очень высоких токах, а MIG/MAG-сварка короткими замыканиями — на низких. Ручная дуговая сварка может иметь как большую, так и малую глубину проплавления в зависимости от используемых электродов.

  • Сварочные материалы: даже в одном и том же процессе сварочные материалы разных классов могут иметь совершенно разные характеристики проплавления. Например, в режиме РДС электроды класса E6010 обычно имеют большую глубину проплавления, а электроды класса E7024 — меньшую. То же относится к процессу FCAW. Порошковая проволока класса E70T-1 обычно имеет большую глубину проплавления, класса E71T-1 — меньшую.

  • Угол атаки электрода: угол наклона электрода в направлении сварки, влияет на то, как дуга направлена на рабочую поверхность. При угле атаки от 0° до 10° (т. е. если электрод почти перпендикулярен поверхности) глубина проплавления максимальна. По мере увеличения угла глубина проплавления снизится.

  • Тип защитного газа: защитный газ тоже влияет на глубину проплавления. Защитные газы с высокой теплопроводимостью, например, 100-процентная двуокись углерода (CO2) или 100-процентный гелий (He), вызывают более широкий и глубокий профиль проплавления. Защитные газы с низкой теплопроводимостью, например, 100-процентный аргон (Ar) или смеси Ar / CO2 или Ar / кислород (O2), приводят к менее глубокому профилю с сужением в середине (см. Рисунок 4). 

Факторы глубины проплавления 

Рисунок 4

  • Диаметр электрода: при сварке двумя электродами разных диаметров при одинаковой силе сварочного тока в случае электрода меньшего диаметра глубина проплавления окажется больше (см. Рисунок 5). Проволока меньшего диаметра имеет меньшую площадь сечения. Так как в обоих случаях через электрод проходит одинаковый ток, из-за этого концентрация или плотность тока в случае меньшего электрода оказывается выше. Из-за этой более высокой плотности тока электроды меньшего диаметра имеют большую глубину проплавления. Однако заметьте, что электроды любого диаметра имеют максимальный порог плотности тока, после которого сварочного дуга становится очень нестабильной. Поэтому при увеличении сварочного тока в какой-то момент понадобится перейти на электроды большего диаметра.

Факторы глубины проплавления 

Рисунок 5

  • Скорость сварки: скорость перемещения электрода вдоль сварного шва влияет на то, сколько времени есть у энергии дуги на то, чтобы проникнуть в основной материал в каждой отдельно взятой точке шва. По мере увеличения скорости сварки время нахождения дуги в отдельной точке шва снижается, из-за чего снижается глубина проплавления. По мере снижения скорости сварки время нахождения дуги в отдельной точке шва увеличивается, а глубина проплавления становится больше (см. Рисунок 6).

Факторы глубины проплавления 

Рисунок 6

  • Расстояние от контактного наконечника до изделия: в режимах MIG/MAG, FCAW и SAW на жесткой ВАХ (CV) при одинаковой скорости подачи проволоки и напряжении дуги по мере увеличения расстояния от контактного наконечника до изделия сопротивление на пути тока через электрод возрастет, потому что этот электрод (т. е. металлический электропроводник) станет длиннее. Увеличение сопротивления при том же напряжении приведет к снижению силы тока (по закону Ома), что, в свою очередь, вызовет снижение глубины проплавления. Соответственно, при уменьшении расстояния от контактного наконечника до изделия сопротивление снижается, а сила тока и глубина проплавления увеличиваются. 

 

Напряжение дуги, напротив, не оказывает практически никакого влияния на глубину проплавления. Хотя изменения напряжения могут вызвать минимальные изменения глубины проплавления, его влияние по сравнению с силой тока и других перечисленных в этой статье переменных весьма ограничено. Напряжение дуги больше влияет на ее длину. При той же скорости подачи проволоки по мере увеличения напряжения дуги она удлиняется, по мере снижения напряжения — укорачивается. Длина дуги, в свою очередь, влияет на ширину и размер ее конуса. Если длина дуги снизится, конус дуги станет уже, а дуга — более сфокусированной (см. Рисунок 7). В результате получается узкий и выпуклый сварной шов, также может немного уменьшиться глубина проплавления.  Аналогичным образом при уменьшении длины конус дуги становится шире, а сама дуга — мягче. В результате шов становится более широким и плоским, а глубина проплавления может немного увеличиться. Влияние напряжения дуги на форму шва показано на Рисунке 8. Также заметьте, что швы, сделанные при напряжении 27, 34 и 45 вольт, несколько различаются по глубине проплавления (при одинаковых силе тока, скорости подачи проволоки и диаметре электрода). Учтите, что это крайне большая разброс в напряжении дуги — этот эксперимент был проведен только для того, чтобы проиллюстрировать эту статью. На практике напряжение дуги будет варьироваться всего на несколько вольт. Поэтому колебания глубины проплавления из-за такой малой разницы в напряжении будут пренебрежимо малы.

 

Факторы глубины проплавления 

Факторы глубины проплавления 

 Рисунок 7

 Рисунок 8

 

По иронии, многие сварщики полагают, что напряжение дуги как раз является главной переменной, которая оказывает наибольшее влияние на глубину проплавления. Напряжение иногда неправильно называют «жаром», и сварщики увеличивают напряжение или «жар», чтобы получить видимое увеличение глубины проплавления, или снижают, чтобы его уменьшить. Скорее всего это заблуждение вызвано тем, что при увеличении напряжения шов зрительно становится шире (как показано на Рисунке 8). Однако, как уже было сказано выше, эти изменения ширины шва вызваны сужением или расширением конуса дуги. Итоговая глубина проплавления при разном напряжении (при условии неизменной силы тока) практически одинакова.