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.

Характер плавления и переноса электродного металла оказывает большое влияние на производительность сварки, взаимодействие металла со шлаком и газами; от него зависят устойчивость горения дуги, потери металла, формирование шва и другие технологические факторы.

Плавление электрода. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная или массовая скорости плавления, измеряемые длиной или массой расплавленного электрода (проволоки) в единицу времени. Скорость плавления зависит от состава сварочной проволоки, покрытия, флюса, защитного газа, режима сварки, плотности и полярности тока, вылета электрода и ряда других факторов. Но и для одних и тех же условий сварки скорость плавления электрода не остается постоянной, а может постепенно изменяться. Поэтому на практике используют в качестве характеристики среднюю скорость плавления электрода, которая обычно определяется за некоторый произвольный, но значительно превосходящий длительность периода капельного перехода промежуток времени.

Поскольку средняя скорость плавления сильно зависит от режима сварки, при оценке влияния различных факторов на плавление электрода иногда удобнее пользоваться удельным (отнесенным к единице тока) значением этой характеристики, получившим название коэффициента расплавления. Скорость плавления электрода Gp связана с коэффициентом расплавления ар выражением

где k - коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения.

Важнейшими показателями, характеризующими процесс плавления электрода, являются также коэффициент наплавки ссн и коэффициент потерь i|). Коэффициент наплавки, как и коэффициент расплавления, представляет собой удельное значение скорости

йаплавки. Скорость найЛавки бн связана с коэффиЦиён^бм й9-

плавки выражением

где gp и gn - соответственно массы расплавленного и наплавленного металла.

Выражение (2-14) справедливо лишь для электродов, не содержащих металлических присадок (железного порошка или ферросплавов) в покрытии.

При наличии металлических присадок в покрытии коэффициент "ф может получать отрицательные значения. В таких случаях он представляет собой разность между количеством потерянного металла и количеством металла, перешедшего из покрытия. Для электродов подобного типа суммарный коэффициент потерь можно определить из выражения

присадок металла из покрытия.

С помощью рассмотренных показателей можно определить такие характеристики, как выход наплавленного металла kc и выход годного металла k3.

Для электродов с металлическими присадками в покрытии этот показатель может быть значительно больше единицы (или больше 100%).

Выход годного металла k3 представляет собой отношение массы наплавленного металла к массе расплавленной части электрода:

части электрода; kn - коэффициент массы покрытия, представляющий собой отношение массы покрытия к массе покрытой части электродного стержня.

Скорость плавления электрода при всех способах дуговой сварки плавящиеся электродом возрастает с увеличением силы тока (рис. 2-23). В широком диапазоне режимов наблюдается пропорциональность между скоростью плавления электрода и силой сварочного тока. Однако в области малых и больших токов пропорциональность нарушается, что связано с изменением энергетических характеристик дуги, размера активных пятен и плотностей тока в них, нагревом электрода током. Увеличение скорости плавления электрода при больших плотностях тока вызвано также подогревом стержня электрода проходящим током. Нагрев электрода на вылете пропорционален квадрату силы тока, сопротивлению проволоки и длине вылета.

Скорость плавления электрода в основном определяется условиями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной областях и зависит от полярности тока. При сварке на обратной полярности коэффициент расплавления практически не зависит от состава проволоки, покрытия, флюса или защитного газа. При сварке же на прямой полярности коэффициент расплавления изменяется в широких пределах в зависимости от состава и состояния поверхности проволоки, составов покрытия, флюса или защитного газа (рис. 2-24). Соответственно изменяется и напряжение дуги. В практике обычно пользуются значением номинального напряжения дуги UH - напряжения, характерного для данной марки электрода, проволоки, флюса или защитного газа при рабочей длине дуги.

Скорость плавления электрода можно регулировать, изменяя силу тока или величину катодного падения напряжения. Возможность увеличения скорости плавления покрытых электродов за

счет увеличения силы тока ограничена в связи с перегревом стержня электрода. При автоматических и полуавтоматических способах сварки это

ограничение менее существенно из-за малых вылетов проволоки.

Введение в проволоку, покрытие или флюс веществ, повышающих катодное падение напряжения (а следовательно, и номинальное напряжение дуги), способствует повышению скорости плавления проволоки на прямой полярности. Изменение состава защитного газа оказывает сравнительно небольшое влияние на скорость плавления проволоки. Нанесение на сварочную проволоку небольших количеств солей щелочных или щелочноземельных металлов резко понижает скорость плавления катода. Это явление иногда используется для так называемого активирования проволоки с целью замедления скорости плавления и получения мелкокапельного переноса металла на прямой полярности.

При сварке покрытыми электродами скорость плавления электрода зависит и от толщины покрытия. Утолщение покрытия приводит к дополнительным затратам теплоты на его плавление, а также к увеличению мощности, выделяемой в столбе дуги. У электродов без металлических добавок в покрытии увеличение толщины покрытия ведет к бесполезным затратам на его плавление. Вводя в покрытие металлические добавки или железный порошок, можно существенно увеличить скорость наплавки. Увеличение толщины покрытия и повышение содержания в нем железного порошка позволяют значительно повысить плотность тока без опасения перегрева стержня электрода. Все эти факторы способствуют увеличению производительности сварки.

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.

Электродуговая сварка может осуществляться при помощи оборудования, вырабатывающего постоянный или переменный ток. Если работа на переменном токе не имеет нюансов в вопросе правильного подключения массы и держателя электрода, то при сварке на постоянном токе полярность сварочных электродов имеет большое значение.

Общие понятия

В зависимости от того какой полюс сварочного автомата подключен к держателю, определяется тип и особенности режима сварки:

• Сварка на прямой полярности предполагает подключение положительного полюса к соединяемым заготовкам (массе), и отрицательного к держателю электрода.
• Для выполнения работ при обратной полярности полюса меняются местами (плюс на держатель, минус на массу).

Несмотря на то, какая полярность электродов применяется, сварка на постоянном токе имеет общие особенности по сравнению с применением переменного напряжения:

Сварка на прямой полярности

При таком способе подключения электродов большему нагреву подвергается заготовка, а не электрод . Такой режим характеризуется выделением значительно большего количества тепла.

Поэтому сварка на прямой полярности рекомендована для выполнения следующих операций:

• Резка металла любым типом электродов.
• Сварка заготовок значительной толщины.
• Работа с металлами, имеющими более высокую температуру плавления.

Именно в этих случаях требуется разогрев обрабатываемых деталей до более высоких температур, для выполнения этих работ требуется значительное тепловыделение.

Сварка на обратной полярности

В данном случае большему разогреву подвергается электрод, поэтому на заготовку передается меньшее количество тепловой энергии.

Благодаря этому электроды обратной полярности позволяют выполнять работы в более мягком (деликатном) режиме.

Это актуально во многих случаях, например, сварка нержавеющей или тонкой листовой стали, сплавов, чувствительных к тепловому воздействию.

Так же такое подключение используется для работ в среде защитных газов или под флюсом.

Определение необходимой полярности

О том, как определить полярность электродов при сварке, существует множество споров, при этом каждая сторона приводит правильные, казалось бы доводы. Противники указанной выше версии ссылаются на учебники по технологии сварочного производства, изданные еще в середине прошлого века, считая, что сведения указанные в них наиболее правильные.

Но стоит учитывать то, что с тех пор произошло существенное усовершенствование сварочной техники и расходных материалов. Поэтому основываться на рекомендациях, касающихся устаревших технологий, все-таки не стоит. Наиболее правильным считается именно описанный выше выбор полярности.

Существует еще одна группа сварщиков, считающих, что любые работы лучше (вернее удобней) выполнять исключительно на обратной полярности. Это связано в первую очередь с тем, что в таком режиме электроды меньше липнут и отсутствует риск прожига металла. Но появление инверторной сварочной техники решило и эту проблему.

Стоит обращать внимание и на тип электродов. Существуют марки, которые могут применяться только при прямой или обратной полярности, нарушение рекомендаций производителя может не только усложнить процесс сварки, но и сделать ее невозможной в принципе.

На сегодняшний день производители уже предлагают электроды, способные работать при любом напряжении и различной полярности.

Правильный выбор полярности подключения электродов способствует упрощению сварочного процесса и повышению качества шва.