Окрім технологічних факторів, на формування та розмір зварного шва також можуть впливати інші фактори процесу зварювання, такі як розмір канавки та зазору, кут нахилу електрода та заготовки, а також просторове положення з'єднання.
Вплив зварювального струму на формування шва
За певних умов, зі збільшенням струму дугового зварювання, глибина проплавлення та армування зварного шва збільшуються, а ширина шва дещо збільшується. Причини цього такі:
1) Зі збільшенням зварювального струму дугового зварювання збільшується сила дуги, що діє на зварний деталь, збільшується підведення тепла дугою до зварного деталі, а положення джерела тепла зміщується вниз, що сприяє теплопровідності в глибину розплавленої ванни та збільшує глибину проникнення. Глибина проникнення приблизно пропорційна зварювальному струму. Глибина проникнення зварного шва H приблизно дорівнює Km × I. У формулі Km – це коефіцієнт проникнення (кількість міліметрів, на яку збільшується глибина проникнення зварного шва при збільшенні зварювального струму на 100 А), який пов'язаний з методом дугового зварювання, діаметром дроту, типом струму тощо, як показано в таблиці 1-1.
| методи дугового зварювання | діаметр електрода/мм | зварювальний струм/А | напруга/В | швидкість зварювання/м·год-1 | коефіцієнт проникнення/м м-100A-1 |
вольфрамове аргонодугове зварювання | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
плазмово-дугове зварювання | Діафрагма сопла 1,6 | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1,2~2 |
| Діафрагма сопла 3,4 | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1,0~1,7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
зварювання аргонодуговим електродом плавленням | 1,2~2,4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| CO2-зварювання | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Таблиця 1-1 Коефіцієнт глибини плавлення Km для різних методів та параметрів дугового зварювання (зварювання сталі)
2) Швидкість плавлення зварювального осердя або зварювального дроту при дуговому зварюванні пропорційна зварювальному струму. Оскільки збільшення зварювального струму при дуговому зварюванні призводить до збільшення швидкості плавлення зварювального дроту, кількість розплавленого зварювального дроту збільшується приблизно пропорційно, тоді як ширина шва збільшується менше, тому збільшується армування шва.
3) Після збільшення зварювального струму діаметр стовпа дуги збільшується. Однак глибина проникнення дуги в заготовку збільшується, а діапазон руху дугової плями обмежується. Тому збільшення ширини зварного шва є відносно невеликим.
Під час зварювання металів в середовищі захисного газу (MIG) зі збільшенням зварювального струму збільшується глибина проплавлення шва. Якщо зварювальний струм занадто великий, а щільність струму занадто висока, можливе утворення пальцеподібного проплавлення, особливо під час зварювання алюмінію.
Вплив напруги дуги на формування зварного шва
За певних умов, коли напруга дуги збільшується, потужність дуги збільшується, а отже, збільшується і підведення тепла до зварного шва. Однак збільшення напруги дуги досягається збільшенням довжини дуги. Збільшення довжини дуги призводить до збільшення радіуса джерела тепла дуги та збільшення розсіювання тепла дугою. В результаті щільність енергії, що підводиться до зварного шва, зменшується, тому глибина проплавлення дещо зменшується, а ширина зварного шва збільшується. Водночас, оскільки зварювальний струм залишається незмінним, а кількість плавлення зварювального дроту не змінюється, армування зварного шва зменшується.
Для різних методів дугового зварювання, для отримання належного формування шва, тобто для підтримки відповідного коефіцієнта формування шва φ, слід відповідно збільшувати напругу дуги під час збільшення зварювального струму. Необхідно, щоб напруга дуги та зварювальний струм мали відповідне узгодження. Це найчастіше трапляється при дуговому зварюванні плавким електродом.
Вплив швидкості зварювання на формування шва
За певних умов збільшення швидкості зварювання призведе до зменшення підведення тепла під зварювання, тим самим зменшуючи як ширину зварного шва, так і його проникнення. Оскільки кількість наплавленого дротяного металу на одиницю довжини шва обернено пропорційна швидкості зварювання, це також призводить до зменшення армування зварного шва.
Швидкість зварювання є важливим показником для оцінки продуктивності зварювання. Для підвищення продуктивності зварювання швидкість зварювання слід збільшити. Однак, щоб забезпечити необхідний розмір зварного шва для проектування конструкції, при збільшенні швидкості зварювання слід відповідно збільшити зварювальний струм і напругу дуги. Ці три величини взаємопов'язані. Водночас слід також враховувати, що при збільшенні зварювального струму, напруги дуги та швидкості зварювання (тобто при використанні потужної зварювальної дуги та високошвидкісного зварювання) під час формування розплавленої ванни та процесу її затвердіння можуть виникати дефекти зварювання, такі як підрізи та тріщини. Тому збільшення швидкості зварювання обмежене.
Вплив типу та полярності зварювального струму, а також розміру електрода на формування шва
1. Види та полярність зварювального струму
Типи зварювального струму поділяються на постійний та змінний струм. Серед них дугове зварювання постійним струмом додатково поділяється на постійний струм та імпульсний постійний струм залежно від наявності імпульсу в струмі; воно поділяється на постійний струм з позитивним з'єднанням (зварний деталь підключена до позитивного полюса) та постійний струм з зворотним з'єднанням (зварний деталь підключена до негативного полюса) залежно від полярності. Дугове зварювання змінним струмом додатково поділяється на синусоїдальний змінний струм та прямокутний змінний струм залежно від різних форм хвиль струму. Тип та полярність зварювального струму можуть впливати на кількість тепла, що підводиться від дуги до зварного деталі, а отже, на формування шва. Водночас це також може впливати на процес переносу крапель та видалення оксидної плівки з поверхні основного металу.
Під час дугового зварювання вольфрамовим електродом в середовищі інертного газу для зварювання металевих матеріалів, таких як сталь та титан, проникнення шва є найглибшим, коли постійний струм підключено в позитивному напрямку, проникнення є найменшим, коли постійний струм підключено в зворотному напрямку, а змінний струм знаходиться між ними. Оскільки проникнення шва є найглибшим, коли постійний струм підключено в позитивному напрямку, а вольфрамовий електрод має найменші втрати на горіння, під час дугового зварювання вольфрамовим електродом в середовищі інертного газу для зварювання металевих матеріалів, таких як сталь та титан, слід використовувати позитивне підключення постійного струму. Під час імпульсного зварювання постійним струмом у середовищі інертного газу в середовищі інертного газу, оскільки параметри імпульсу можна регулювати, розмір шва можна контролювати за потреби. Під час дугового зварювання вольфрамовим електродом в середовищі інертного газу для зварювання алюмінію, магнію та їх сплавів необхідно використовувати очищувальний ефект дуги катода для очищення оксидної плівки на поверхні основного металу. Змінний струм є кращим. Оскільки параметри форми хвилі прямокутного змінного струму можна регулювати, ефект зварювання є кращим.
Під час дугового зварювання в газовому середовищі, коли постійний струм підключено у зворотному напрямку, проникнення та ширина шва більші, ніж у випадку позитивного підключення постійного струму. Проникнення та ширина зварювання змінним струмом знаходяться між цими двома показниками. Тому під час дугового зварювання під флюсом зазвичай використовується зворотне підключення постійного струму для отримання більшого проникнення; тоді як під час наплавлення під флюсом використовується позитивне підключення постійного струму для зменшення проникнення. Під час дугового зварювання в газовому середовищі захисного газу, оскільки зворотне підключення постійного струму не тільки має велику глибину проникнення, але й зварювальна дуга та процес переносу крапель стабільніші, ніж під час позитивного підключення постійного та змінного струму, а також має ефект очищення катода, воно широко використовується. Позитивне підключення постійного та змінного струму зазвичай не використовується.
2. Вплив форми кінчика вольфрамового електрода, діаметра зварювального дроту та довжини подовження
Кут і форма переднього кінця зварювального електрода мають більший вплив на концентрацію дуги та тиск дуги. Їх слід вибирати відповідно до зварювального струму та товщини заготовки. Як правило, чим концентрованіша дуга та чим більший тиск дуги, тим більша глибина проплавлення, а ширина шва відповідно зменшується.
Під час дугового зварювання в газовому середовищі, коли зварювальний струм постійний, чим тонший зварювальний дріт, тим концентрованіший нагрів дуги, збільшується глибина проникнення та зменшується ширина шва. Однак, вибираючи діаметр зварювального дроту в реальних зварювальних проектах, слід також враховувати величину струму та морфологію зварювальної ванни, щоб уникнути поганого формування шва.
Коли довжина подовження дроту під час газового дугового зварювання збільшується, збільшується опір тепла, що утворюється зварювальним струмом, що проходить через подовжену частину дроту, що призводить до збільшення швидкості плавлення дроту. Отже, армування шва збільшується, а глибина проникнення дещо зменшується. Через відносно великий питомий опір сталевих зварювальних дротів вплив довжини подовження дроту на формування шва є досить очевидним при зварюванні сталевими та тонкими дротами. Питомий опір алюмінієвих зварювальних дротів є відносно невеликим, тому його вплив не є суттєвим. Хоча збільшення довжини подовження дроту може покращити коефіцієнт плавлення дроту, всебічно враховуючи аспекти стабільності плавлення дроту та формування шва, існує допустимий діапазон варіації довжини подовження дроту.
Вплив інших факторів процесу на коефіцієнти формування зварного шва
Окрім вищезазначених факторів процесу, на формування та розмір шва також можуть впливати інші фактори процесу зварювання, такі як розмір канавки та зазору, кут нахилу електрода та заготовки, а також просторове положення з'єднання.
1. Паз і зазор
Під час зварювання стикових з'єднань електродуговим зварюванням зазвичай визначається необхідність резервування зазору, розмір зазору та форма відкритої канавки залежно від товщини зварювального листа. За певних інших умов, чим більший розмір канавки або зазору, тим менше армування зварного шва, що еквівалентно зниженню положення зварювання. При цьому коефіцієнт зварювання зменшується. Тому, залишаючи зазор або відкриваючи канавку, можна контролювати розмір армування та регулювати коефіцієнт зварювання. Порівняно із залишенням зазору та відкриттям канавки без залишення зазору, умови розсіювання тепла між цими двома варіантами дещо відрізняються. Загалом, умови кристалізації при відкритті канавки є сприятливішими.
2. Нахил електрода (зварювального дроту)
Під час дугового зварювання, залежно від співвідношення між напрямком нахилу електрода та напрямком зварювання, його поділяють на два типи: нахил електрода вперед та нахил електрода назад. Коли зварювальний дріт нахилений, вісь дуги також нахилена відповідно. Коли зварювальний дріт нахилений вперед, вплив сили дуги на відведення розплавленого металу ванни назад послаблюється. Шар рідкого металу на дні розплавленої ванни стає товщим, глибина проникнення зменшується, глибина проникнення дуги у зварний деталь зменшується, діапазон руху дугової плями розширюється, ширина зварного шва збільшується, а армування зменшується. Чим менший кут нахилу зварювального дроту вперед α, тим більш помітний цей вплив. Коли зварювальний дріт нахилений назад, ситуація протилежна. При дуговому зварюванні в захисному середовищі здебільшого використовується метод нахилу електрода назад, і кут нахилу α є відносно доцільним між 65° та 80°.
3. Нахил зварювального елемента
Нахил зварного шва часто зустрічається у реальному виробництві і може бути розділений на зварювання вгору та зварювання вниз. У цей час під дією сили тяжіння розплавлений метал ванни має тенденцію текти вниз по схилу. При зварюванні вгору сила тяжіння сприяє витісненню розплавленого металу ванни в хвіст розплавленої ванни, тому проникнення глибоке, ширина шва вузька, а армування високе. Коли кут нахилу α становить від 6° до 12°, армування занадто велике, і з обох боків легко утворюються підрізи. При зварюванні вниз цей ефект запобігає витісненню розплавленого металу ванни в хвіст розплавленої ванни. Дуга не може глибоко нагріти метал на дні розплавленої ванни, проникнення зменшується, діапазон руху дугової плями розширюється, ширина шва збільшується, а армування зменшується. Якщо кут нахилу зварного шва занадто великий, це призведе до недостатнього проникнення та переливання розплавленого рідкого металу ванни.
4. Зварювальний матеріал та товщина
Проплавлення шва пов'язане зі зварювальним струмом, а також з теплопровідністю та об'ємною теплоємністю матеріалу. Чим краща теплопровідність матеріалу та чим більша об'ємна теплоємність, тим більше тепла потрібно для розплавлення одиниці об'єму металу та підвищення температури на ту ж величину. Тому за певних інших умов, таких як зварювальний струм, глибина проникнення та ширина шва зменшуватимуться. Чим більша щільність або в'язкість рідини матеріалу, тим важче дузі витісняти рідкий розплавлений метал ванни, і тим глибше проникнення шва. Товщина зварної деталі впливає на теплопровідність всередині зварної деталі. За інших умов, зі збільшенням товщини зварної деталі збільшується тепловіддача, а ширина та глибина проникнення зменшуються.
5. Флюс, покриття електродів та захисний газ
Різний склад флюсів або електродних покриттів призводить до різних падінь напруги в електродних областях дуги та різних градієнтів потенціалу стовпа дуги, що неминуче впливає на формування зварного шва. Коли флюс має низьку щільність, великий розмір частинок або малу висоту укладання, тиск навколо дуги низький, стовп дуги розширюється, а пляма дуги має великий діапазон руху. Тому проникнення мале, ширина шва велика, а армування невелике. Під час використання потужного дугового зварювання для зварювання товстих заготовок використання пемзоподібного флюсу може зменшити тиск дуги, зменшити проникнення та збільшити ширину шва. Крім того, зварювальний шлак повинен мати відповідну в'язкість та температуру плавлення. Якщо в'язкість занадто висока або температура плавлення відносно висока, шлак матиме погану вентиляцію, і на поверхні зварного шва легко утворюватися багато заглиблень, що призводить до поганого формування поверхні зварного шва.
Склад захисних газів для дугового зварювання (таких як Ar, He, N2, CO2) різний, а також їхні фізичні властивості, такі як теплопровідність, також відрізняються. Це робить падіння напруги в полярній області дуги та градієнт потенціалу стовпа дуги, провідний поперечний переріз стовпа дуги, силу плазмового потоку та розподіл питомого теплового потоку різними. Всі ці фактори впливають на формування зварних швів.
Коротше кажучи, на формування зварного шва впливає багато факторів. Щоб отримати гарне формування зварного шва, необхідно вибрати відповідні методи зварювання та умови зварювання відповідно до матеріалу та товщини зварної деталі, просторового положення зварного шва, форми з'єднання, умов роботи, вимог до продуктивності з'єднання та розміру зварного шва. Водночас найважливішим є ставлення зварювальника до зварювання! В іншому випадку формування зварного шва та його продуктивність можуть не відповідати вимогам, і навіть можуть з'явитися різні дефекти зварювання.
