Разница между прямой и обратной полярностью. Плавление и перенос электродного металла при дуговой сварке Статьи влияние полярности дуги на плавление электродов

5.1 Цель работы

Изучение влияния параметров режима сварки на процесс плавления элек­тродов, ознакомление с методикой экспериментального определения характе­ристик расплавления электродов.

Теоретическое введение

Тепло, вводимое сварочной дугой в электрод, затрачивается на нагрев и расплавление электродного стержня и электродного покрытия. Процесс плав­ления электродного стержня и переход расплавленного металла в сварочную ванну зависит от ряда факторов: величины, рода и полярности тока, состава электродного покрытия и стержня, положения сварного шва в пространстве и т.п. Свойства электрода, характеризующие производительность его расплавле­ния, оценивают коэффициентом расплавления α р, определяемым по формуле

где g p – масса расплавленного металла, г;

I – ток сварки, А;

t – время плавления электрода.

При сварке наблюдаются потери жидкого металла вследствие его окисле­ния воздухом и через шлак, а также в результате испарения и разбрызгивания за пределы сварочной ванны. Потери на угар и разбрызгивание оцениваются коэффициентом потерь

Потери на угар и разбрызгивание колеблются в довольно широких пределах в зависимости от различных факторов. Для ручной дуговой сварки коэф­фициент расплавления в зависимости от конкретной марки электрода составляет 8-15 г/А·ч, коэффициент потерь – 5-30 %; для автоматической сварки под слоем флюса – α р = 13-23 г/А·ч, ψ = 2-4 % .

Увеличение сварочного тока приводит к повышению температуры столба дуги и интенсивности расплавления электрода и, как следствие, к увеличению α р. При больших плотностях тока переход капель металла с электрода в шов может носить струйный характер, что уменьшает потери на разбрызгивание.

При сварке на обратной полярности производительность расплавления существенно выше, чем при сварке на переменном токе и при прямой полярно­сти. Это объясняется тем, что на аноде выделяется в 2-3 раза больше теплоты, чем на катоде, за счет бомбардировки анода быстрыми электронами, в то время, как на катоде затрачивается энергия на их эмиссию.

На величины α р и ψ оказывают влияние тип электрода и состав стержня, что определяет состав атмосферы столба дуги и, как следствие, эффективный потенциал ионизации. В свою очередь, изменение эффективного потенциала ионизации ведет к изменению температуры столба дуги в соответствии с эмпи­рической формулой, применимой для ручной дуговой сварки

T = 800U эф (5.3)

Увеличение температуры столба дуги ведет к увеличению количества обра­зующихся газов, повышает их давление в капле электродного металла и, в конечном итоге, может привести к усилению разбрызгивания.

Коэффициент α р существенно зависит от температуры нагрева электрод­ного стержня. Нагрев электродного стержня джоулевым теплом ускоряет его плавление в дуговом разряде и α р увеличивается, при этом величина ψ практи­чески не меняется. При автоматической и полуавтоматической сварке для уве­личения α р широко применяется сварка с увеличенным вылетом проволоки (расстоянием между токоподводящим мундштуком н изделием). Увеличение вылета ведет к увеличению сопротивления проволоки и, как следствие, повы­шению температуры ее нагрева. При ручной дуговой сварке непостоянство α р в процессе горения электродного стержня может привести к нарушению режима формирования шва, поэтому максимальная сила тока для каждого диаметра электрода конкретной марки строго ограничена. Равномерности плавления электрода способствует увеличение толщины электродного покрытия, т.к. оно не проводит тока, не нагревается джоулевым теплом и охлаждает стержень электрода.

Оборудование и материалы

1. Посты ручной дуговой сварки на постоянном и переменном токах, укомплектованные приборами для измерения тока сварки.

2. Технические весы с разновесом.

3. Секундомер.

4. Штангенциркуль и линейка.

5. Сварочные электроды МР-3 Æ4 мм.

6. Пластины из малоуглеродистой стали.

Порядок проведения работы

1. Очистить, замаркировать и взвесить пластины, предназначенные для наплавки.

2. Подготовить электроды, замаркировать, определить диаметр и началь­ную длину электродного стержня.

3. Для каждой марки электрода определить массу l погонного сантиметра электродного стержня, которая равна массе очищенного от обмазки электрод­ного стержня, деленной на его длину.

4. Произвести наплавку валика на пластину электродом по­стоянным током обратной полярности. В процессе наплавки фиксировать вре­мя горения дуги и силу тока (рекомендуемая сила тока для всех вариантов опы­тов – 120-200 А) с последующим занесением в таблицу 5.1.

5. После наплавки охладить, высушить, зачистить от шлака и взвесить пластину. Определить массу наплавленного металла и результат занести в таблицу 5.1.

6. Замерить длину оставшейся после наплавки части электрода и рассчи­тать массу расплавленного металла с последующим занесением в таблицу 5.1.

7. Вычислить характеристики расплавления электрода с последующим занесением в таблицу 5.1.

8. Опыт по п.4 повторить при измененных значениях силы тока 2 раза.

9. Опыт по п.4 повторить для прямой полярности и переменного тока.

В зависимости от ряда факторов, сварочная дуга, подаваемая при сварке постоянным током, может иметь прямую или обратную полярность. В первом случае к обрабатываемым элементам подводится заряд «плюс», а к электроду - «минус». Обратная полярность при сварке отличается подачей к электроду «плюса» и «минуса» к детали. Подробнее о специфике методов - далее.

При прямой направленности кабель для сварки соединяет свариваемый элемент с положительной клеммой аппарата. Таким образом положительный заряд доходит от инвертора к заготовке; отрицательный же подается посредством электрододержателя.

Данный тип подключения вызывает увеличение температуры на аноде (полюсе «+»), если сравнивать с катодом («-»). Это обуславливает сферу использования прямой полярности при сварке. Она применима для резки металлических конструкций, заготовок с толстыми стенками, а также в случаях, когда необходимо выделение большого количества тепла или создание высокой температуры процесса.

Обратная полярность при сварке инвертором - это подача отрицательного заряда на обрабатываемый металл, а положительного - на электрод. Ситуация с выделением тепла противоположная - на расходном элементе наблюдается избыточный нагрев, а у свариваемой заготовки - недостаточный. Поэтому обратную полярность при сварке используют, если необходимо минимизировать порчу заготовки при работе, а также для деликатных работ. Она используется для неразъемных соединений таких материалов, как:

• нержавеющая сталь;
• тонколистовой металл;
• высокоуглеродистая, либо легированная сталь;
• сплавы, восприимчивые к перегреву.

Наиболее известные виды сварки, где используется подача тока обратной направленности - флюсовая электродуговая и в среде защитных газов.

Закономерности выбора

Почему для одних работ выбирается обратная, а для других - прямая полярность при сварке? Ответим на сей вопрос, рассмотрев термические особенности процесса с использованием обратной направленности.

Габариты и форма получаемого шва также зависят от расположения полюсов. Например, более глубокая проплавка возможна при постоянном токе обратной направленности, что обусловлено увеличенным теплообразованием на аноде и катоде.

Немаловажно помнить - чем быстрее осуществляется сварочный процесс, тем ширина шва и глубина провара становятся меньше.

Какое оборудование использовать

Обратное направление востребовано в работе особыми установками. Специфика в том, что машина подает проволоку с некоторой скоростью на заготовку, поэтому возможен выбор нескольких типов сварки.

Например, в среде защитных газов (когда используется аргон или углекислый газ), либо с использованием проволоки, обработанной порошком. Обратная направленность тока применима при работе с газами, прямая - когда процесс выполняется порошковой проволокой (также известной как флюсовой).

Полуавтоматическая сварка предполагает ряд изменений процесса. Во-первых, подключение «держака» и «массы» меняется - на первом «плюс», на второй «минус» (обратная). Делается это для того, чтобы флюс выгорел полностью, а сварочный процесс произошел внутри образовавшегося газообразного облака. Металл будет меньше прогреваться, а разбрызгивание капель сведется к минимуму.

Прямая используется для сварки цветных металлов, когда рабочим расходным элементом выступает вольфрамовый электрод. Таким образом достигается увеличение температуры в зоне нагрева, что может быть критично для, например, алюминия.

В работе с переменным током задача пользователя - своевременно менять расходные элементы. Профессионалы же или продвинутые любители предпочитают постоянный ток как надежный залог качественной сварки. Работа с инвертором позволяет выбирать один из двух известных вариантов действий. Прямая и обратная полярность при сварке выступают способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Выбор направления диктуется рядом факторов, главные из которых - материал расходников и используемое оборудование.

Если вы знаете другие специфические особенности выбора параметров сварки, поделитесь информацией в комментариях к статье.

Производительность процесса. Изучением производительности некоторых методов сварки плавящимся электродом на прямой полярности занимались многие исследователи. И. И. Заруба показал, что при сварке на прямой полярности под флюсами ОСЦ-45, АН-348, АН-3 коэффициенты наплавки выше, чем при сварке на обратной полярности. Повышение коэффициентов наплавки на прямой полярности было установлено также при сварке плавящимся электродом в инертных газах и некоторых активных газах (водород, аргоно-азотная смесь, московский отопительный газ).

Детальное изучение влияния полярности на коэффициенты наплавки при сварке в углекислом газе на токах 200-500 а (рисунок справа) показало, что коэффициенты наплавки на прямой полярности в 1,6-1,8 раза больше, чем при сварке на обратной полярности.

Значительное повышение коэффициента наплавки, а следовательно, и скорости плавления электродной проволоки при сварке на прямой полярности указывает на то, что на электроде выделяется значительно больше теплоты, чем при сварке на обратной полярности, когда электрод является анодом. Расчет показывает, что при сварке на прямой полярности количество теплоты, затраченной на плавление электродного металла, почти на 1/3 больше, чем при сварке на. обратной полярности (табл. ниже).

Количество тепла, расходуемого на плавление электродного металла при сварке в углекислом газе на прямой и обратной полярности:

Геометрия шва. При сварке на прямой полярности доля наплавленного металла в шве намного больше, чем при сварке на обратной полярности (рисунок ниже слева). Глубина проплавления, наоборот, при сварке на прямой полярности резко уменьшается (рисунок ниже справа).

Химический состав металла шва. Химический состав металла, наплавленного в углекислом газе на прямой и обратной полярности, приведен в таблице ниже.

Обращают на себя внимание высокие коэффициенты усвоения углерода металлом шва. Это может быть связано с крайне незначительным выгоранием углерода из сварочной ванны при сварке в углекислом газе, а также из электродной проволоки, когда содержание углерода в ней невелико. Последнее подтверждает данные об отсутствии выгорания углерода при его концентрации менее 0,1 %.

Стабильность горения дуги. Наиболее простым способом оценки стабильности горения дуги является, как известно, ее разрывная длина. Приведенные в табл. 37 результаты измерений разрывной длины дуги при сварке в углекислом газе на прямой обратной полярности и для сравнения при сварке под флюсом ОСЦ-45 (обратная полярность) показывают, что разрывная длина дуги на прямой полярности значительно меньше, чем на обратной.

Интересно отметить то обстоятельство, что разрывная длина дуги, горящей в атмосфере углекислого газа на прямой полярности, не меньше разрывной длины дуги при сварке на обратной полярности под флюсом ОСЦ-45.

Опыты показали, что сварка проволокой диаметром 2 мм на прямой полярности на относительно небольших токах (200-300 а) характеризуется пониженной стабильностью горения дуги, большим разбрызгиванием (15-18%) и худшим формированием шва по сравнению со сваркой на обратной полярности. В связи с этим нецелесообразно на этих токах производить сварку на прямой полярности. На более высоких токах (свыше 400 а) дуга горит значительно устойчивее, разбрызгивание заметно уменьшается, формирование шва улучшается. Например, при сварке на прямой полярности током 400 а потери металла на разбрызгивание, угар и испарение снижаются до 8%, а при токе 500 а - до 3-5%.

Причиной образования флокенов является, как известно, водород, растворившийся в металле шва. Водород также может снижать пластические свойства металла. Было установлено, что из швов, сваренных на прямой полярности, выделяется в 3-5 раз больше водорода, чем из швов, сваренных в одинаковых условиях на обратной полярности (таблица ниже).

Количество выделившегося водорода из металла, наплавленного под защитой углекислого газа:

При сварке на обратной полярности избыток электронов, который можно ожидать вблизи поверхности сварочной ванны, сдвигает равновесие реакции влево и препятствует растворению водорода. При сварке на прямой полярности условия поглощения водорода металлом ваяны шва более благоприятны.

Возможен и другой механизм увеличения содержания водорода в шве при сварке на прямой полярности. Количество капель, переносимых через дугу в единицу времени при сварке на прямой полярности значительно больше (рисунок слева), чем при сварке на обратной полярности. В связи с этим увеличивается поверхность их контакта с газами, а следовательно, может увеличиться и содержание водорода в жидком металле.

Увеличение степени осушки углекислого газа (таблица выше) снижает содержание водорода в шве.

Сварка электрической дугой, по сравнению с газовой сваркой, имеет некоторые особенности. Это и более высокая, до 5000°С, температура самой дуги, что превосходит температуры плавления всех существующих металлов, и большое разнообразие видов и типов сварки, а, соответственно, методов и целей её применения. Электродуговая сварка различается по степени механизации, по роду тока, по типу дуги и свойствам сварочного электрода, а также другим параметрам. В данной статье хотелось бы рассмотреть некоторые нюансы электродуговой сварки в зависимости от полярности сварочных электродов.

Виды сварки.

По роду используемого тока различают два вида дуговой сварки:

• сварка электрической дугой, питаемой переменным током;

• сварка электрической дугой, питаемой постоянным током.

В свою очередь, сварка с использованием постоянного тока бывает двух типов:

• сварка током прямой полярности;

• сварка током обратной полярности.

Рассмотрим особенности каждого типа сварки постоянным током подробнее.

Сварка током прямой полярности.

Под сваркой прямой полярности принято понимать сварку, при проведении которой на свариваемую деталь (изделие) подаётся положительный заряд от сварочного выпрямителя, то есть сварочный кабель соединяет свариваемую конструкцию с клеммой "плюс" сварочного аппарата. На электрод же подаётся отрицательный заряд через электрододержатель, соединённый кабелем с минусовой клеммой.

Поскольку на положительном полюсе (аноде) температура всегда значительно более высокая, чем на отрицательном (катоде), ток прямой полярности рекомендуется применять при необходимости резки металлоконструкций и сварке толстостенных деталей, а также в иных случаях, когда требуется добиться большого выделения тепла, что как раз и является характерной особенностью такого типа подключения.

Сварка током обратной полярности.

Для проведения сварки током обратной полярности подключение следует провести противоположным образом: на свариваемую деталь подать отрицательный заряд с клеммы "минус", а на электрод - положительный заряд с клеммы "плюс".

Такая полярность сварочных электродов обеспечивает обратную прямому подключению ситуацию - больше тепла выделяется на электроде, а нагрев детали сравнительно уменьшается. Это позволяет производить более "деликатную" сварку и уменьшает вероятность прожига детали. Соответственно, сварку током обратной полярности рекомендуется применять при необходимости сваривания тонких листов металла, нержавеющей, легированной стали, иных сталей и сплавов, чувствительных к перегреву.

Также, электродуговая сварка под флюсом и сварка с газовой защитой, как правило, производится с использованием подключения обратной полярности.

Общие аспекты.

Вне зависимости от того, какая конкретно полярность сварочных электродов используется, есть несколько общих моментов:

• в отличие от сварки переменным током, при использовании постоянного тока получается более "аккуратный" с меньшим количеством брызг металла, сварочный шов, так как отсутствует частая смена полярности подаваемого тока;
• поскольку анод и катод нагреваются по-разному, кроме всего прочего, если используется плавящийся электрод, то от метода подключения зависит количество металла, переносимого с плавящегося электрода на деталь;
• во избежание повреждения свариваемой детали в месте подсоединения кабеля с положительным либо отрицательным зарядом вследствие возникновения микроразрядов - рекомендуется для более надёжного соединения использовать прижимную струбцину.

В заключение хотелось бы отметить, что в данной статье раскрыты лишь некоторые моменты, касающиеся сварки с применением электрической дуги. На практике эта тема значительно шире, и многообразие видов электросварки позволяет использовать её практически в любых, подчас уникальных условиях и технических ситуациях.

Сварку металлов постоянным током можно проводить двумя режимами: с прямой полярностью и обратной. Прямая полярность при сварке – это когда к электроду подключается минус, к металлической заготовке плюс. При сварке током обратной полярности все наоборот, то есть, к стержню подключается плюс, к изделию минус.

При сварке постоянным током на кончике электрода образуется термическое пятно, которое обладает высокой температурой. В зависимости от того, какой полюс подключен к электроду, будет зависеть и температура на его кончике, а соответственно будет зависеть режим сварочного процесса. К примеру, если подключен к расходнику плюс, то на его конце образуется анодное пятно, температура которого равна 3900С. Если минус, то получается катодное пятно с температурой 3200С. Разница существенная.

Что это дает.

• При сварке током прямой полярности основная температурная нагрузка ложится на металлическую заготовку. То есть, она разогревается сильнее, что позволяет углубить корень сварочного шва.
• При сварке током обратной полярности концентрация температуры происходит на кончике электрода. То есть, основной металл при этом нагревается меньше. Поэтому этот режим в основном используют при соединении заготовок с небольшой толщиной.

Необходимо добавить, что режим обратной полярности применяют также при стыковке высокоуглеродистых и легированных сталей, нержавейки. То есть, тех видов металлов, которые чувствительны к перегреву.

Внимание! Так как на анодном и катодном пятне температура разная, то от правильного подключения сварочного аппарата будет зависеть расход самого электрода. То есть, обратная полярность при сварке инвертором – это перерасход электродов.

В процессе сварки постоянным током необходимо добиться того, чтобы металл заготовок прогрелся хорошо, практически до состояния расплавленного. То есть, должна образоваться сварочная ванна. Именно прямая и обратная полярность режима сваривания влияет на качественное состояние ванны.

• Если сила тока будут большой, а значит, и температура нагрева также будет высокой, то металл разогреется до такого состояния, что электрическая дуга будут просто его отталкивать. Ни о каком соединении здесь уже говорить не придется.
• Если ток будут, наоборот, слишком мал, то металл не разогреется до необходимого состояния. И это тоже минус.

При прямой полярности внутри ванны будет создана среда, которой легко руководить электродом. Она растекается, поэтому одно движение стержня создает направленность сварного шва. При этом легко контролируется глубина сваривания.

Кстати, скорость движения электрода напрямую влияет на качество конечного результата. Чем скорость выше, тем меньше тепла поступает в зону сварки, тем меньше прогревается основной металл заготовок. Уменьшая скорость, увеличивается температура внутри сварочной ванны. То есть, металл хорошо прогревается. Поэтому опытные сварщики выставляют на инверторе ток больше необходимого. А вот качество сварного шва контролируют именно скоростью перемещения электрода.

Что касается самих электродов, то выбор полярности обусловлен материалом, из которого он изготовлен, или видом обмазки. К примеру, использование обратной полярности при сварке постоянным током, в которой применяется угольный электрод, приводит к быстрому расходу сварных стержней. Потому что при высоких температурах угольный электрод начинает разрушаться. Поэтому этот вид используется только при режиме прямой полярности. Чистый металлический стержень без покрытия, наоборот, хорошо заполняет сварочный шов при обратной полярности.

Глубина и ширина сварочного шва также зависит от используемого режима. Чем выше ток, тем происходит увеличение провара. То есть, увеличивается глубина сварного шва. Все дело в погонной энергии на дуге. По сути, это количество тепловой энергии, проходящей через единицу длины сварочного шва. Но увеличивать ток до бесконечности нельзя, даже в независимости от толщины свариваемых металлических заготовок. Потому что тепловая энергия создает давление на расплавленный металл, что вызывает его вытеснение. Конечный результат такой электросварки при повышенном токе – прожог сварочной ванны. Если говорить о влиянии прямой и обратной полярности при сварке инвертором, то большую глубину проплавки может обеспечить режим обратной полярности.

Некоторые особенности сваривания при прямой полярности

Что такое прямая полярность определено. Указаны некоторые качества сварных швов при проведении процесса соединения в режиме прямой полярности. Но остались некоторые тонкие моменты.

• В сварочную ванну металл от электродов или присадочных материалов переносится большими каплями. Это, во-первых, большой разбрызг металла. Во-вторых, увеличение коэффициента проплавления.
• При таком режиме электрическая дуга нестабильна.
• С одной стороны снижение глубины провара, с противоположной снижение внедрения углерода в массу металла заготовки.
• Правильный нагрев металла.
• Меньший нагрев стержня электрода или присадочной проволоки, что позволяет сварщику использовать токи с более высоким значением.
• При некоторых сварочных материалах наблюдается увеличение коэффициента наплавки. К примеру, при использовании плавящихся электродов в инертных и некоторых активных газах. Или при применении присадочных материалов, которые наносятся под флюсами некоторых типов, например, марки ОСЦ-45.
• Кстати, прямая полярность влияет и на состав материала, оказавшегося в шве между двумя металлическими заготовками. Обычно в металле практически отсутствует углерод, но зато в большом количестве присутствует кремний и марганец.

Особенности сварки током обратной полярности

Сваривание тонких заготовок – процесс с повышенной трудностью, потому что постоянно присутствует опасность появления прожогов. Поэтому их соединяют режимом обратной полярности. Но есть и другие методы, чтобы снизить опасность.

• Снизить потенциал тока, чтобы уменьшить температуру на заготовке.
• Сварку лучше проводить прерывистым швом. К примеру, сделать небольшой участок в начале, затем переместиться в центр, после начать стыковку с противоположной стороны, далее начать варить промежуточные участки. В общем, схему можно менять. Таким способом можно избежать коробления металла, особенно если длина стыка больше 20 см. Чем больше сваренных отрезков, чем короче каждый участок, тем меньше процент коробления металла.
• Очень тонкие металлические заготовки сваривают с периодическим прерыванием электрической дуги. То есть, электрод выдергивается из зоны сварки, затем тут же быстро снова поджигается, и процесс продолжается.
• Если проводится сварка внахлест, то две заготовки должны быть герметично прижиматься друг к другу. Небольшой воздушный зазор приводит к прожогу верхней детали. Для создания плотного прилегания нужно использовать струбцины или любой груз.
• При стыковочном соединении заготовок лучше минимизировать зазор межу деталями, а идеально, чтобы зазора не было бы вообще.
• Для сварки очень тонких заготовок с неровными кромками под стык необходимо уложить материал, который бы хорошо забирал на себя тепло процесса. Обычно для этого используют медную пластину. Можно и стальную. В данном случае, чем больше толщина вспомогательного слоя, тем лучше.
• Можно провести отбортовку кромок свариваемых изделий. Угол отбортовки - 180°.