Отклонение сварочной дуги


Отклонение дуги во время сварки может вызывать множество проблем, в том числе чрезмерное разбрызгивание, недостаточную глубину проплавления, пористость и низкое качество сварных швов. Что это такое и как его можно избежать? В этой статье мы рассмотрим явление отклонения сварочной дуги и несколько способов его устранения для повышения качества сварки.

Отклонение дуги возникает при сварке на постоянном токе, когда дуга следует не кратчайшему пути от электрода к рабочему изделию, а отклоняется вперед, назад или, реже, в сторону по отношению к направлению сварки.

Сначала давайте дадим определения некоторым понятиям, связанным с отклонением дуги. Обратное отклонение происходит при сварке по направлению к рабочему соединению, в конце шва или при угловой сварке. Переднее отклонение происходит при сварке по направлению от рабочего соединения или в начале шва. Переднее отклонение может вызвать особенно много проблем при сварке защищенной дугой металлопрошковыми или другими типами электродов с обильным образованием шлака, когда тяжелый шлак или кратер приходится перемещать вперед под дугу.


Магнитное отклонение дуги
Магнитное отклонение происходит из-за искажений магнитного поля вокруг сварочной дуги. Эти искажения возникают из-за того, что в большинстве случаев дуга оказывается на большем расстоянии от одного конца соединения, чем от другого, и непостоянного расстояния от рабочей клеммы. Дисбаланс также может быть вызван постоянными изменениями направления тока в цепи между электродом, дугой и рабочим изделием.

Визуализация магнитного поля
Чтобы понять, почему происходит отклонение дуги, нужно представить себе магнитное поле. На Рисунке 3-37 показан проводник (который может представлять собой электрод или поток плазмы между электродом и сварным соединением), через который проходит постоянный ток. Проводник при этом окружает магнитное поле, которое можно изобразить в виде концентрических силовых линий на плоскости под прямым углом к направлению тока. Интенсивность магнитного поля уменьшается по мере удаления от проводника.

Концентрические линии магнитного поля будут сохранять форму круга только в том случае, если среда вокруг них достаточно велика для того, чтобы вместить все эти линии, пока их интенсивность не станет равна практически нулю. Но если эта среда неоднородна, например, если линии переходят из стальной пластины в воздух, они исказятся и окажутся более сконцентрированы в металле, где им приходится преодолевать меньшее сопротивление. На границе между стальной пластиной и воздухом магнитные силовые линии сужаются и теряют свою круглую форму. Такое сужение приводит к повышению интенсивности магнитного поля позади или перед сварочной дугой. Из-за этого дуга смещается в направлении, которое уменьшило бы концентрацию и восстановило баланс магнитного поля. Другими словами, дуга смещается в сторону, противоположную зоне повышенной концентрации магнитного поля. Это смещение и называется отклонением дуги.

  

Проводник окружает магнитное поле, которое можно изобразить в виде концентрических силовых линий на плоскости под прямы

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вытягивание и искривление магнитных полей в начале и конце сварного шва

На Рисунке 3-38 изображено вытягивание и искажение магнитного поля в начале и конце сварного соединения. В начале сварки силовые линии магнитного поля оказываются сконцентрированы позади электрода. Дуга пытается скомпенсировать этот дисбаланс и смещается вперед. По мере приближения электрода к концу шва повышенная концентрация перемещается в пространство перед дугой, из-за чего дуга смещается назад. В середине шва, на одинаковом расстоянии от концов соединения, магнитное поле симметрично и переднего или обратного смещения дуги обычно не возникает. Однако, если материал с одной стороны соединения шире, а с другой – уже, даже в середине шва возникнет боковое смещение.


Влияние тока в рабочем изделии
«"Вытягивание" » также может возникать из-за электрического тока внутри рабочего изделия. Как показано на Рисунке 3-39, этот ток, который проходит через все изделие к клемме, также образует магнитное поле. Жирная линия означает путь сварочного тока, тонкая – созданное этим током магнитное поле. Так как ток меняет направление, то есть делает поворот в точке между дугой и рабочим изделием, в точке X возникает повышенная концентрация магнитного поля, которая вызывает смещение сварочной дуги в сторону от рабочего изделия, как это показано на рисунке.

Смещение дуги из-за этого эффекта накладывается на смещение, вызванное вышеописанным воздействием сконцентрированного магнитного поля. Таким образом влияние тока в изделии может снизить или еще больше увеличить смещение дуги из-за магнитного поля. Но если обратный ток научиться контролировать, его можно использовать как способ регулировать смещение дуги, который особенно хорошо подходит для автоматических процессов сварки.

 

 Отклонение дуги из-за эффекта заземления  

   

Положение магнитного поля при засположения рабочего кабеля позади (a) или впереди (b) дуги.

На Рисунке 3-40(a), рабочий кабель подключен к начальной точке шва, а магнитное поле, вызванное током внутри изделия, направлено назад от дуги. При этом возникает переднее смещение дуги. Однако у конца шва общее смещение будет минимальным, так как это переднее смещение компенсирует обратное смещение, вызванное высокой концентрацией магнитного поля при приближении дуги к краю рабочего изделия – см. Рисунок 3-41(a). На Рисунке 3-40(b), рабочий кабель подключен к конечной точке шва, что приводит к обратному смещению. В таком случае в конце сварного шва это приводит к еще большему обратному смещению из-за магнитного поля дуги.

 

 

Наложение магнитных полей

Подобное «"наложение"» магнитных полей показано на Рисунке 3-41(b). Однако рабочее соединение со стороны конца шва может помочь снизить переднее смещение дуги в начале сварки.

Так как воздействие тока в рабочем изделии менее заметно, чем сконцентрированного магнитного поля вокруг дуги, расположение рабочего соединения позволяет регулировать смещение дуги лишь в какой-то степени. Для полного устранения смещения дуги во время сварки также нужно использовать и другие способы.


Другие проблемные зоны

Угловые и стыковые соединения с глубоким V-образным зазором
В каких еще случаях может происходить смещение дуги? Оно часто наблюдается при угловой сварке и в сварных соединениях, для которых требуется глубокий сварной шов. Причина этому точно такая же, как и в предыдущем случае – высокая концентрация силовых линий магнитного поля и смещение дуги для снижения этой концентрации. На Рисунках 3-42 и 3-43 показаны ситуации, в которых при использовании постоянного тока высока вероятность отклонения дуги.

 

Отклонение дуги часто возникает при сварке на высоких токах в подобных глубоких зазорах.           Сильное отклонение дуги возникает при сварке угловых соединений на постоянном токе

 

Высокая сила тока
При низкой силе тока отклонение дуги ниже, чем при высокой. Почему? Потому что интенсивность магнитного поля на заданном расстоянии от проводника электрического тока пропорциональна квадрату силы сварочного тока. При ручной сварке на постоянном токе серьезные проблемы с отклонением дуги обычно возникают только при силе тока выше 250 ампер (это не точная цифра, так как на отклонение дуги также сильно влияют тип и геометрия соединения).

Постоянный ток
Переход на переменный ток часто приводит к значительному снижению отклонения дуги. Из-за постоянных смен полярности ток в металле основы начинает двигаться в форме вихрей. Для таких вихревых потоков характерно довольно слабое магнитное поле, которое не оказывает на дугу значительного влияния.

Чувствительные к магнитному воздействию материалы
Некоторые материалы, например, 9-процентные никелевые сплавы, очень чувствительны к магнитному воздействию и очень легко намагничиваются внешними магнитными полями, например, от кабелей питания и т. п. При сварке таких материалов могут возникнуть большие сложности в связи с отклонением дуги из-за намагниченного материала. Такие поля можно легко выявить и измерить недорогими ручными измерителями магнитной индукции. Интенсивности поля более 20 Гс обычно достаточно для того, чтобы оно могло вызвать сложности со сваркой.


Термическое отклонение дуги
Мы уже рассмотрели самый распространенный тип отклонения сварочной дуги – магнитный, но с чем еще может столкнуться сварщик? Второй тип – это термическое отклонение дуги. По законам физики ток между электродом и рабочей пластиной проходит между самыми горячими точками на их поверхности. Во время перемещения электрода дуга обычно от него несколько отстает. Это отставание вызвано «нежеланием» дуги сдвигаться на более холодное место. Пространство между кончиком электрода и горячей поверхностью расплавленного металла ионизируется и поэтому имеет более высокую электропроводимость, чем возле более холодных участков пластины. При ручной сварке небольшое термическое обратное отклонение из-за отставания дуги не принесет большого вреда, но оно может стать серьезной проблемой при высокоскоростной автоматической сварке или если термическое обратное отклонение накладывается на магнитное обратное отклонение.""

Отклонение при многодуговой сварке
В новейших системах сварки для повышения производительности применяется метод многодуговой сварки. Такой процесс тоже может приводить к отклонению дуг. В частности, когда две дуги работают в непосредственной близости друг от друга, их магнитные поля начинают взаимодействовать, что приводит к отклонению обеих дуг.

Взаимодействие магнитных полей двух дуг

Если рядом находятся две дуги разной полярности, как показано на Рисунке 3-44(a), магнитные поля между дугами заставят их отклониться друг от друга. Если дуги имеют одну полярность, как показано на Рисунке 3-44(b), магнитные поля будут ослаблять друг друга, из-за чего дуги станут притягиваться.

Обычно при использовании двух дуг для одной дуги рекомендуется использовать постоянный ток, а другой – переменный, как это показано на Рисунке 3-44(c). В таком случае магнитное поле дуги с переменным током каждый цикл будет меняться на противоположное и благодаря этому оказывать минимальное воздействие на поле постоянного тока. В результате взаимодействие дуг станет пренебрежимо малым.

Также часто используется конфигурация с двумя дугами на переменном токе. В таком случае помехи между дугами большей частью минимизируются сдвигом фазы тока в одной из дуг на 80-90 градусов по отношению к другой. Для этого используется так называемое автоматическое соединение «"Scott"». Благодаря сдвигу фазы ток и магнитное поле одной дуги достигают максимума в тот момент, когда ток и магнитное поле другой дуги находятся практически в минимуме. Это позволяет свести отклонение к минимуму.


Способы снижения отклонения дуги
Отклонение дуги – не всегда неблагоприятное явление. Более того, в разумных пределах оно помогает создавать швы правильной формы, лучше контролировать расплавленный шлак и глубину проплавления. Но если отклонение дуги вызывает или усиливает такие дефекты, как подрезание, непостоянную глубину проплавления, неровность швов, неравномерную глубину швов, пористость, волнистые швы и избыточное разбрызгивание, с ним нужно бороться.


Возможные способы решения:

Если для сварки в защитных газах используется постоянный ток – особенно силой более 250 ампер – возможно, проблемы можно устранить переходом на переменный ток

Сохраняйте минимальную длину дуги, чтобы ее давление компенсировало отклонение

Уменьшите силу сварочного тока – что может потребовать снижения скорости сварки 

Наклоняйте электрод в противоположном направлении от отклонения дуги, как это показано на Рисунке 3-45

С обоих концов шва сделайте широкие прихваточные швы и создавайте прихваточные швы вдоль всей длины шва – особенно при некачественной подготовке соединения

Ведите сварку по направлению к широкому прихваточному шву или уже завершенному сварному шву

Используйте обратно-ступенчатую технику сварки, как показано на Рисунке 3-46

Для снижения обратного отклонения ведите сварку по направлению от рабочего соединения, для снижения переднего отклонения – по направлению к рабочему соединению

В случае процессов с обильным образованием шлака может понадобиться умеренное обратное отклонение дуги. Для этого сварку нужно вести по направлению к рабочему соединению

Оберните рабочий кабель вокруг рабочего изделия, чтобы магнитное поле тока, поступающего обратно в источник питания,
компенсировало магнитное поле, вызывающее отклонение дуги

 

 

Отклонение дуги (a) может быть компенсировано наклоном электрода (b).        Направление и порядок наложения швов при обратно-ступенчатой технике сварки

 

Отклонение дуги хорошо заметно при сварке открытой дугой, но в случае сварки под флюсом его выявление может оказаться достаточно сложным. В таком случае оно диагностируется по дефектам сварки.

Для обратного отклонения характерны:

Сильное разбрызгивание
Подрезание, будь то постоянное или перемежающееся
Узкие, высокие сварные швы, часто с подрезанием
Большая глубина проплавления
Пористость поверхности в конце сварного шва на листовом металле

Для переднего отклонения характерны:

Широкий сварной шов с неравномерной шириной
Волнообразная форма шва
Подрезание, обычно перемежающееся
Меньшая глубина проплавления


Влияние креплений на отклонение дуги
В случае отклонения дуги оператор должен помнить о еще одном факторе – влиянии систем фиксации. Стальные крепления для рабочих изделий могут оказывать определенное воздействие на магнитное поле вокруг дуги и, соответственно, ее отклонение. Кроме того, со временем они могут намагнититься. Обычно крепления не вызывают никаких проблем при ручной сварке с силой тока меньше 250 ампер. Крепления для применения при более высокой силе тока должны иметь такую конструкцию, которая не способствовала бы отклонению дуги. Для каждой системы фиксации может потребоваться специальное исследование, которое выявило бы лучший способ устранить помехи для дуги.


При этом нужно учесть следующее:

Конструкция креплений для сварки продольных швов цилиндров (см. Рисунок 3-47) должна предполагать расстояние между опорной балкой и рабочим изделием как минимум 2,5 см.
Зажимы, которые удерживают рабочее изделие, должны быть немагнитными. Рабочий кабель нельзя подключать к медной подкладке –
по возможности соединение должно быть расположено на рабочем изделии.


Крепление должно быть изготовлено из низкоуглеродистой стали. Это позволит избежать накапливания постоянных магнитных свойств.

Сварка по направлению к закрытому концу «"рогообразных"» креплений также помогает снизить обратное отклонение дуги.

Крепление должно быть достаточно длинным для того, чтобы при необходимости можно было использовать конечные опоры.

Не используйте в качестве подкладки медные полосы на стальных балках, как показано на Рисунке 3-48. Стальная часть подкладки лишь усилит отклонение дуги.

Расстояние между зажимами должно быть минимальным. Большие промежутки могут привести к
образованию зазоров и отклонению дуги.


Не используйте системы фиксации с крупными стальными деталями только с одной стороны шва. Сбалансируйте их аналогичной конструкцией с другой стороны.




 Крепления для сварки продольных швов цилиндров должны предполагать расстояние между опорной балкой и изделием минимум 2,5 см         Не используйте в качестве подкладки медные полосы на стальных балках. Стальная часть подкладки лишь усилит отклонение дуги

 

Понимание причин отклонения дуги и способов его диагностики позволит операторам полностью его контролировать и создавать сварные швы без связанных с ним дефектов.