Рассмотрим наиболее часто встречающийся вид дуговой сварки — сварку плавящимся металлическим электродом.
Дуговой разряд при ручной сварке возбуждается кратковременным замыканием электрода на изделие (короткое замыкание) с последующим отведением электрода на небольшое расстояние (3—5 мм), определяющее рабочую длину дуги или напряжение на дуге (~40В).
При замыкании электрода на изделие ток короткого замыкания в сварочной цепи резко возрастает (в 1,5— 2 раза) по сравнению со сварочным током, величина которого определяется толщиной свариваемого изделия и диаметром электрода (например, для электрода диаметром 5 мм величина сварочного тока 250—270 А). Ток короткого замыкания, проходя но участку электрод — изделие с большим сопротивлением, расплавляет металл в точке их соприкосновения за счет теплоты, выделяемой током (джоулева теплота). В момент отведения электрода от изделия мостик из расплавленного металла разрывается и возникает дуговой разряд, горящий в парах металла, атомы которого легко отдают электроны и переходят в плазменное состояние.
Газовый промежуток между изделием и электродом становится электрически проводящим.
На рис. 11 показаны возбуждение сварочной дуги и диаграмма (осциллограмма) изменения тока и напряжения в начале процесса сварки на постоянном токе.
Рис. 11. Схема процесса возбуждения сварочной дуги от источника постоянного тока.
Дуговой сварочный разряд неоднороден. Проводящая его часть, расположенная по оси, или шнур дуги обладает наиболее высокой температурой, а в периферийной части температура и проводимость резко снижаются. Очень высокая температура — у поверхности катода, поставляющего электроны в плазму дуги, а также на поверхности сварочной ванны, через которую электроны уходят в металл, отдавая при этом большое количество энергии (работа выхода). На рис. 12 показано распределение температур по сечению дугового разряда, измеренное спектральным методом.
Рис. 12. Температурное поле в столбе дуги, горящей на воздухе (сила тока = 200 А)
Одна из важных характеристик сварочной дуги — устойчивость дугового разряда, определяемая по предельному расстоянию (l max) между электродами, при котором еще возможно существование дугового разряда.
Фактически процесс сварки ведется на меньших расстояниях между электродом и изделием, что обеспечивает большую устойчивость дугового разряда и, следовательно, устойчивость технологического процесса сварки.
Устойчивость дугового разряда зависит от ряда факторов. Она возрастает с увеличением напряжения на дуге (Un) и при увеличении сварочного тока (Iд).
Устойчивость дугового разряда повышается также при введении в зону дуги веществ, содержащих атомы высокоактивных металлов (К, Na, Са), легко отдающих свои электроны (малый потенциал ионизации) и увеличивающих проводимость дугового промежутка. Такие стабилизаторы дугового разряда вводятся или через покрытия на электродах, или они входят в состав флюса.
Сильно снижается устойчивость горения дуги на переменном токе, так как за период колебания напряжения дуга должна возбуждаться дважды, меняя свою полярность. Осциллограмма тока и напряжения для дугового разряда, горящего на переменном токе, показана на рис. 13. Для возбуждения дугового разряда требуется определенное напряжение — пик зажигания, а обрывается дуговой разряд при достижении некоторого минимального напряжения. Время горения дуги составляет лишь часть общего времени сварки, однако питание дуги переменным током гораздо удобнее технически и поэтому широко используется в производстве.
Движение электрода с дуговым разрядом относительно кромок изделия заставляет перемещаться сварочную ванну, образующую сварной шов.
Ширина шва, глубина проплавления, форма верхнего и нижнего усиления зависят от величин Uд, lЧ и скорости сварки Uсв, а также от теплофизических свойств свариваемого металла. Сочетание этих показателей определяет режим сварки, от которого зависит устойчивость процесса сварки и качество сварного соединения.
Сварочная ванна образуется за счет оплавления электрическим дуговым разрядом кромок свариваемого изделия и плавления самого электрода, капли которого проходят через дуговой разряд. Они поступают в сварочную ванну нагретыми значительно выше температуры плавления металла.
Рис. 13. Кривые тока и напряжения (осциллограмма) при сварке на переменном токе: Uд — напряжение на участке устойчивого горения дуги; Uа — напряжение в момент возбуждения дуги (пик зажигания); Iсв — сварочный ток.
Таким образом, металл сварочной ванны отличается от состава металла изделия. Особенно сильно изменяется состав электродного металла, который взаимодействует с окружающей средой в процессе плавления и перехода капель через дуговой промежуток.