Производительность процесса сварки оценивают по количеству проплавленного в единицу времени основного металла G и количеству наплавленного металла Gн, определяемого как избыток массы изделия после сварки по сравнению с массой до сварки.
При сварке плавящимся электродом обычно стремятся получить большую производительность наплавки, зависящую от скорости плавления электрода и определяемую по формуле:
где I — сварочный ток, A; t0 — основное время сварки (время чистого горения дуги, ч); ан — коэффициент наплавки, г/А-ч, который показывает, сколько металла с электрода под действием сварочного тока в 1А перейдет в шов за единицу времени.
Производительность плавления электродного металла Gп определяется из уравнения:
где ап — коэффициент плавления, г/А-ч, показывающий количество электродного металла в г, расплавленного под действием сварочного тока в 1А за единицу времени *.
* Коэффициент плавления электрода ап в некоторых литературных источниках называют коэффициентом расплавления и обозначают ар.
Коэффициент ан меньше коэффициента ап на величину потерь (угар и разбрызгивание электродного металла).
Коэффициенты плавления и наплавки зависят от рода тока и его полярности, количества ионизирующих веществ (калия, натрия, кальция и др.) и деионизаторов (фтора), вносимых в дугу из покрытия электродов, из флюса или вместе с защитным газом, величины сварочного тока и напряжения дуги, а также от способа сварки.
При сварке голым стальным электродом без защиты дуги постоянным током прямой полярности (минус на электроде) вследствие весьма низкой стабильности дуги и высокого катодного падения напряжения коэффициент плавления электрода выше, чем при сварке током обратной полярности.
Однако в настоящее время, чтобы обеспечить стабильность горения дуги и получить хорошую форму и поверхность шва, требуемый химический состав его и качество, сварку выполняют, используя специальные покрытия электродов и флюсов и (в некоторых случаях) применяя ток обратной полярности (сварка высоколегированных сталей вручную и под флюсом, сварка в углекислом газе и др.).
В последнем случае плавление катода зависит от характера защитной среды, наличия в зоне дуги стабилизирующих веществ и фтора, а также от диаметра электрода и режима сварки. С увеличением сварочного тока коэффициент плавления электрода возрастает в результате предварительного подогрева электродной проволоки проходящим током.
При сварке легированной и высоколегированной проволокой под флюсом и в углекислом газе коэффициент плавления выше, чем при сварке углеродистой проволокой. Это обусловлено тем, что легированная проволока обладает повышенным электросопротивлением и поэтому быстрее подогревается проходящим по ней током.
Рис. 13. Зависимость коэффициентов плавления (ап) и наплавки (ан): а — от силы сварочного тока при сварке в углекислом газе (кривые 1, 2) и под флюсом (кривая 3), б — от диаметра сварочной проволоки и режима сварки в углекислом газе.
На рис. 13, а показана зависимость коэффициентов плавления и наплавки от сварочного тока при сварке в углекислом газе и под флюсом. Из приведенных графиков следует, что коэффициент наплавки при сварке в углекислом газе значительно выше коэффициента наплавки под флюсом при одинаковом режиме сварки.
Более высокая производительность сварки в углекислом газе по сравнению со сваркой под флюсом объясняется отсутствием значительных затрат тепла на плавление флюса, превышающих потери тепла на лучеиспускание и потери металла на угар, испарение и разбрызгивание. При сварке в углекислом газе с увеличением сварочного тока уменьшается разность ап — ан, что указывает на уменьшение потерь металла на разбрызгивание, угар и испарение.
С уменьшением диаметра электродной проволоки (с увеличением плотности тока) при прочих равных условиях коэффициент наплавки возрастает (рис. 13, б); увеличение напряжения дуги и скорости сварки приводит к снижению коэффициентов плавления и наплавки.
Снижение коэффициента плавления с повышение напряжения дуги (длины дуги) объясняется увеличением потерь тепла на излучение и конвекцию, а также возрастанием потерь металла на разбрызгивание, угар и испарение.
При сварке под флюсом повышение напряжения дуги сопровождается увеличением потерь тепла на его плавление, так как при этом возрастает количество расплавляемого флюса.
Плавление электрода при электрошлаковой сварке происходит за счет тепла, передаваемого ему шлаковой ванной, и предварительного подогрева электрода вследствие прохождения по нему электрического тока. Некоторое количество тепла электрод получает от сварочной ванны до его погружения вследствие лучеиспускания.
Обычно вылет электрода при электрошлаковой сварке больше, чем при сварке под флюсом, поэтому в первом случае происходит более интенсивный предварительный подогрев электрода.
Наряду с применением больших плотностей тока (до 50—100 А/мм2) предварительный подогрев электрода обеспечивает значительное увеличение коэффициента плавления электродной проволоки, который составляет 18—22 г/А-ч вместо 12—15 г/А-ч при дуговой сварке под флюсом.