Как влияет напряжение на сварку

Напряжение сварочного тока: что это такое и как регулируется

Абсолютное значение сварочного тока, единицей измерения которого служит ампер, – не единственная его характеристика. Важны также такие показатели, как постоянство или периодически изменяющиеся величина и направление.

Постоянный сварочный ток характеризуется неизменным во времени направлением и/или величиной и подается на электрод от сварочных выпрямителей, автономных сварочных генераторов или сварочных аппаратов инверторного типа, получивших широкое распространение.

Переменный сварочный ток изменяет свое направление и/или величину. Для его подачи в рабочую зону при сварке используют различные виды понижающих трансформаторов с первичной обмоткой, подключаемой к источнику переменного тока напряжением 220 или 380 В.

При выборе настроек и характеристик сварочного тока следует ориентироваться на такие взаимосвязанные показатели, как:

• толщина свариваемых элементов;
• металл, из которого выполнены детали;
• толщина электродов;
• пространственная ориентация и некоторые другие характеристики швов.

От выбранного режима сварки зависит энергия и длина дуги. От величины сварочного тока зависит температура в сварочной ванне. Чем она выше, тем интенсивнее и глубже происходит расплавление как металла свариваемых деталей, так и стержня электрода.

Из сказанного следует, что при соединении более толстых деталей нужно устанавливать большие значения силы и напряжения сварочного тока. Толщина металла, режим тока и диаметр стержней электродов находятся в прямой взаимной зависимости.

Как рассчитать напряжение сварочного тока

Необходимую силу сварочного тока следует рассчитывать с учетом диаметра стержней электродов.

Параметры сварных швов и толщина соединяемых сваркой элементов напрямую связаны с диаметром электрода. При ширине шва от 3 до 5 мм опытные мастера чаще всего используют расходники толщиной 3-4 мм. Для более широких швов (от 5 до 8 мм) следует применять стержни диаметром до 5 мм.

Сила тока выбирается, исходя из следующих параметров стержня электрода:

1. 65–100 ампер для стержней диаметром 3 мм. Такой широкий диапазон указан из-за того, что он зависит от ориентации шва в пространстве. Также на выбор величины сварочного тока влияет химический состав материала стержня и свариваемых деталей. Начинающим сварщикам лучше выбрать средние значения – от 80 до 85 А.
2. 120–200 ампер для стержней диаметром 4 мм. Здесь действуют те же правила, касающиеся расположения швов и химического состава деталей и расходников. Таким диаметром наиболее часто пользуются в промышленном производстве. Подобный стержень дает возможность формировать как тонкий, так и широкий шов.
3. 169–250 ампер для электродов диаметром 5 мм. При выборе такой большой толщины стержня при установке сварочного тока исходят не только из пространственной ориентации швов и химического состава металла. Здесь важно брать в расчет необходимую глубину проварки. Если ее нужно увеличить – максимально повышают сварочный ток.
4. Наибольшая величина сварочного тока – 250 ампер – устанавливается также для электродов с толщиной стержня от 6 до 8 мм. В особых случаях для подачи тока используют трансформаторы, увеличивая ампераж до значений от 300 до 350.

Расчет производится по формуле:

• I – сила тока;
• D – толщина стержня;
• K – коэффициент, который указывается в специальных справочных таблицах.

Приведенная ниже таблица содержит значения, знакомые всем опытным профессиональным сварщикам и полезные начинающим:

Диаметр электрода, мм

Толщина металла, мм

Сила тока, А

Следует иметь в виду, что при недостаточной величине сварочного тока невозможно добиться стабильности сварочной дуги, металл не проваривается полностью и возникает риск его растрескивания в околошовной зоне. Если установлена избыточная величина сварочного тока, электрод будет плавиться слишком интенсивно, возникнут брызги и пострадает качество соединения.

Полярность сварочного тока

Как правило, при ручной дуговой сварке посредством обычного бытового сварочного аппарата используют постоянный сварочный ток. При таком варианте электрод и деталь могут подключаться двумя способами:

• Прямая полярность предусматривает подсоединение детали к «+», а электрода к «-».
• Обратной, соответственно, называют полярность при подключении детали к «-», а электрода – к «+».

Выделение тепла на «минусовом» полюсе происходит менее интенсивно, чем на «плюсовом». Из этого исходят, применяя обратную полярность для сваривания деталей из тонкого металла, что позволяет избежать прожогов. Также этот вариант можно использовать для сваривания элементов из высоколегированной стали, которая чувствительна к перегреву. Для массивных изделий лучше использовать прямую полярность.

В конструкционных низколегированных сталях содержится не более 2,5 % легирующих добавок, таких как углерод, хром, марганец, никель и пр. Содержание углерода допустимо не выше 0,2 %. Такой металл широко используется при производстве элементов строительных конструкций, трубопроката и многих других.

Для сваривания конструкционных сталей применяют как ручную дуговую сварку, так и автоматическую или полуавтоматическую. Напряжение сварочного тока для полуавтомата устанавливается, исходя из приблизительно таких же правил, как и в случаях, описанных выше.

Напряжение сварочной дуги

Длина дуги влияет на ее напряжение. Чем она меньше, тем ниже ее напряжение, что приводит к снижению расходуемого на плавку металла стержня и соединяемых элементов. При этом уменьшается ширина сварочной ванны, но происходит увеличение высоты усиления и глубины провара.

Также напряжение дуги может меняться в пределах от 18 до 45 вольт в зависимости от марки и диаметра электрода и установленной силы сварочного тока.

Для сваривания металлических элементов рекомендуется использовать короткую сварочную дугу с напряжением не более 20 вольт. Слишком большая длина дуги приводит к образованию брызг. Сваривание при этом сопровождается резкими хлопками. Для опытного сварщика такие звуки являются признаком неправильно выбранных параметров сварки.

При возникновении подобных затруднений следует сразу же опустить ниже держак с электродом.

Начинают сварку с зажигания или возбуждения дуги, для которого опытные мастера используют два способа:

1. Необходимо чиркнуть кончиком стержня по поверхности детали движением, похожим на зажигание спички. Чаще всего этот простой и не требующий особых навыков способ используют для начала работы новым электродом.
2. Следует слегка прикоснуться кончиком расположенного перпендикулярно электрода к поверхности с последующим его отведением на 3–5 мм. Такой метод удобен для начала работы при затрудненном доступе к месту сваривания.

Подходящие типы сварочных электродов

Электрод для ручной дуговой сварки – это металлический токопроводящий стержень с защитным флюсовым слоем. Плавясь в процессе сваривания, металл электрода заполняет собой место соединения двух деталей. Обмазка необходима для стабилизации дуги и защиты сварочной ванны от контакта с атмосферным кислородом.

Тип защитного покрытия в значительной мере определяет назначение и эксплуатационные качества расходников. Современный рынок расходных материалов для сварки предлагает электроды с обмазками следующих типов:

• Основной – обеспечивает хорошие механические характеристики швов и их химическую чистоту. Электродами с такой обмазкой производят сварку деталей ответственных металлических конструкций, испытывающих при эксплуатации равнопеременные динамические нагрузки.
• Рутиловый – поддерживает стабильность дуги и упрощает сваривание при любых токовых режимах. Электродами с таким покрытием чаще всего формируют горизонтальные швы, так как металл стержней проявляет повышенную текучесть.
• Целлюлозное защитное покрытие – содержит органические компоненты, способствующие формированию качественных сварных соединений при низком шлакообразовании. Недостатком является разбрызгивание жидкого металла.
• Кислое покрытие имеет в основе железные и марганцевые окислы. Благодаря легкости возбуждения сварочной дуги и ее стабильности такие электроды широко применяются для сваривания деталей без тщательной подготовки их поверхности. Электроды с такой обмазкой также отличаются повышенным разбрызгиванием.

Все варианты защитной обмазки маркируются на упаковке электродов буквенным обозначением в соответствии с международным стандартом ISO 2560:2009.

Сваривание типов стали, склонных к формированию закалочных структур при быстром охлаждении швов, сопровождается образованием зон внутреннего напряжения и растрескиванием. Для того чтобы избежать критических перепадов температуры и сделать охлаждение материала более плавным, пользуются предварительным подогревом металла заготовок. Такая процедура строго обязательна даже для сплавов с низким содержанием углерода, если сварка происходит при низкой температуре.

Рекомендуем статьи

• Разряды сварщиков в России
• Наружные рекламные конструкции: виды, требования, материалы, этапы производства
• Какая сварка лучше – газовая или электрическая: преимущества и недостатки

Избавиться от внутреннего напряжения в околошовном пространстве можно, используя такие методы термообработки, как нормализация и отжиг при низкой температуре.

Для того чтобы добиться прочного качественного и долговечного соединения металлических деталей, необходимо соблюдать целый ряд условий. Особого внимания требуют такие параметры сварки, как полярность, напряжение сварочной дуги, напряжение и сила сварочного тока и еще целый ряд показателей, упомянутых выше.

Напряжение на дуге при сварке

Принцип ручной дуговой сварки заключается в следующем. От сварочного трансформатора ток поступает к электроду и свариваемому металлу. При замыкании электрода на металл образуется сварочная дуга, которая характеризуется большой температурой, свыше 6 тысяч градусов.

В результате такой температуры металл начинает плавиться, а в том месте, где электрод замыкает на металл, образуется так называемая сварочная ванна. Именно в сварочной ванне расплавленный металл смешивается с основным, после чего на поверхности соединения образуется шлак, представляющий собой защиту от кислорода.

Электрическая энергия, необходимая для поддержания сварочной дуги, образуется в источниках переменного или постоянного тока.

Вольтамперная характеристика дуги

Одной из главных характеристик сварочной дуги является её напряжение. В свою очередь напряжение сварочной дуги зависит от её длины и силы сварочного тока.

Важная особенность! В ручной дуговой сварке, чем меньше сила тока, тем меньше напряжение дуги. В автоматической сварке, напряжение сварочной дуги зависит от её длины: чем длинней дуга, тем выше будет её напряжение.

Ну и соответственно, чем выше напряжение сварочной дуги, тем большее количество тепла она вырабатывает. Соответственно металлы начинают плавиться быстрей. Таким образом, напряжение дуги растёт и остается максимальным до тех пор, пока дуга не погаснет.

На что влияет напряжение сварочной дуги

Напряжение на дуге влияет в первую очередь на толщину провара металлической заготовки и качество сварного соединения. При большом напряжении дуги характерен широкий сварной шов. Однако в ряде случаев изменение напряжения на дуге может привести к появлению таких дефектов в сварке, как брызги расплавленного металла.

Напряжение сварочной дуги в ручной дуговой сварке колеблется от 15 до 30 Вольт. При этом при замене электрода напряжение дуги может кратковременно возрастать до 70 Вольт.

Как зависит напряжение дуги от силы тока в автоматической сварке

В автоматической сварке при увеличении напряжения тока, напряжение сварочной дуги резко падает. При этом если дуга короткая, то заметно увеличивается площадь сечения и заметно возрастает способность дуги проводить электрический ток.

Итак, от чего же зависит напряжение сварочной дуги. В первую очередь оно зависит от силы тока и длины. Кроме того, напряжение дуги может быть различным в зависимости от вида сварки, которая выполняется.

Дуга бывает короткой, средней, нормальной и длинной. Варят только на короткой сварочной дуге, длина которой не превышает 3 мм. Если длина сварочной дуги увеличивается, то это неминуемо приводит к образованию прожогов в сварке и различных других дефектов.

Вольтамперная характеристика сварочной дуги очень важный параметр, на который следует обращать собственное внимание. Только таким образом получится избежать ряда ошибок в сварке и получить максимально прочное, надежное и долговечное соединение.

Выбор параметров режима

Сварку обычно выполняют на постоянном токе обратной полярности. Иногда возможна сварка на переменном токе. При прямой полярности скорость расплавления в 1,4-1,6 раз выше, чем при обратной, однако дуга горит менее стабильно, с интенсивным разбрызгиванием.

Диаметр электродной проволоки

Выбирают в пределах 0,5-3,0 мм в зависимости от толщины свариваемого материала и положения шва в пространстве. Чем меньше диаметр проволоки, тем устойчивее горение дуги, больше глубина проплавления и коэффициент наплавки, меньше разбрызгивание.

Больший диаметр проволоки требует увеличения сварочного тока.

Сварочный ток

Устанавливают в зависимости от диаметра электрода и толщины свариваемого металла. Сила тока определяет глубину проплавления и производительность процесса в целом. Ток регулируют скоростью подачи сварочной проволоки.

Напряжение на дуге

С ростом напряжения на дуге глубина проплавления уменьшается, а ширина шва и разбрызгивание увеличиваются. Ухудшается газовая защита, образуются поры. Напряжение на дуге устанавливают в зависимости от выбранного сварочного тока и регулируют положением вольт-амперной характеристики, изменяя напряжение холостого хода источника питания.

Скорость подачи электродной проволоки

Связана со сварочным током. Устанавливают с таким расчетом, чтобы процесс сварки происходил стабильно, без коротких замыканий и обрывов дуги

Скорость сварки

Устанавливают в зависимости от толщины свариваемого металла с учетом качественного формирования шва. Металл большой толщины лучше сваривать узкими швами на высокой скорости.

Медленная сварка способствует разрастанию сварочной ванны и повышает вероятность образования пор в металле шва.

При чрезмерной скорости сварки могут окислиться конец проволоки и металл шва.

Расход защитного газа

Определяют в зависимости от диаметра проволоки и силы сварочног о тока. Для улучшения газовой защиты увеличивают расход газа, снижают скорость сварки, приближают сопло к поверхности металла или используют защитные экраны.

Вылет электрода

Расстояние от точки токоподвода до горна сварочной проволоки. С увеличением вылета ухудшаются устойчивость горения дуги и формирование шва, интенсивнее разбрызгивается металл. Малый вылет затрудняет процесс сварки, вызывает подгорани газового сопла и токоподводяшего наконечника.

Выпуск электрода

Расстояние от сопла горелки до торца сварочной проволоки. С увеличением выпуска ухудшается газовая зашита зоны сварки. При малом выпуске усложняется техника сварки, особенно угловых и тавровых соединений.

Вылет и выпуск зависят от диаметра электродной проволоки:

Диаметр проволоки, мм

Вылет электрода, мм

Выпуск электрода, мм

Расход газа, л/мин

Оптимальная совокупность параметров режима делает процесс стабильным на трех стадиях:

1 — при зажигании дуги и установлении рабочего режима сварки;
2 — в широком диапазоне рабочих режимов;
3 — в период окончания сварки.

Процесс сварки считается стабильным, если электрические и тепловые характеристики его не изменяются во времени или изменяются по определенной программе. В связи с этим механизированную сварку в защитных газах ведут стационарной дугой, импульсно-дуговым способом, с синергетической системой управления.

Сварка стационарной дугой

Случайные колебания скорости подачи электродной проволоки и длины дуги могут нарушить стабильность процесса, привести к коротким замыканиям. обрыву дуги. Во избежание этого необходимо изменять скорость плавления электрода, т.е. соответствующим образом варьировать силу сварочного тока.

вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ дуги) в защитных газах при плавящемся электроде имеет возрастающий характер.

В определенный момент стабильного процесса сварки скорость подачи электродной проволоки V_п1 равна скорости плавления V_пл1. При этом параметры по току и напряжению определялись рабочей точкой А₁ с длиной дуги l_д1. Допустим, что в связи со сбоями в механизме подачи проволоки скорость подачи уменьшилась. Тогда возникает относительная скорость плавления ΔV_пл = V_пл1 — V_п2, которая приводит к перемещению рабочей точки в новое положение — А₂. Оно характеризуется уменьшением сварочною тока (Δl), что приводит к уменьшению первоначальной скорости плавления. Процесс сварки вернулся в точку А₁ с длиной дуги l_д1. Этот процесс носит название -саморегулирование по длине дуги. Оно становится интенсивнее при более жесткой волыамперной характеристике источника питания.

При сварке от источника с жесткой характеристикой сварщик корректирует режим по току, регулируя скорость подачи проволоки. Однако при этом изменяются длина дуги и напряжение на ней. Для поддержания нужной длины дуги при настройке режима следует корректировать вольт-амперную характеристику ИП, переходя с одной (I) на другую (II).

Стабильность дуги, особенно в потолочном положении, а также размеры шва и его качество зависят от вида переноса электродного металла через дуговой промежуток. Таких видов переноса существует три.

1. Крупнокапельный перенос с короткими замыканиями дуги. Образуются капли размером в 1,5 раза превышающие диаметр электродной проволоки. Процесс сопровождается короткими замыканиями с естественным импульсно-дуговым процессом, обусловленным параметрами режима. Напряжение на дуге периодически снижается до 0 и в момент отрыва капли увеличивается до рабочего значения. Ток в момент короткого замыкания возрастает, что приводит к отрыву капли электродного металла.

Процесс протекает с разбрызгиванием металла, что ухудшает внешний вид сварного соединения, приводит к непроварам, чрезмерной выпуклости шва.

2. Среднекапельный перенос без коротких замыканий.

Дуга горит непрерывно, а электродный металл переносится через дугу каплями, диаметр которых близок к диаметру проволоки.

Сварка идет с периодическим изменением напряжения на дуге и сварочного тока.

Импульсно-дуговой процесс зависит от параметров режима сварки и также сопровождается разбрызгиванием, снижается качество шва.

3. Струйный перенос.

Дуга горит непрерывно, оплавленный конец электрода вытянут конусом, с которого в сварочную ванну стекают капли размером менее 2/3 диаметра электрода. Масса капли невелика, поэтому электродный металл легко переносится в ванну при сварке во всех пространственных положениях.

Разбрызгивание при струйном переносе незначительно. Производительность высока. Получить струйный перенос можно в аргоне. В углекислом газе такой перенос достигается при высокой плотности сварочного тока или при проволоках, активированных редкоземельными элементами

Управляемый перенос электродного металла с требуемыми размерами капель успешно достигается при импульсно-дуговом процессе, когда периодически измененяют напряжение на дуге и ток сварки.

Импульсно-дуговая сварка

Импульсно-дуговая (нестационарной дугой) сварка способом MIG/MAG возможна при низком сварочном токе во всех пространственных положениях шва при минимальном разбрызгивании и качественном формировании шва.

Существуют два основных вида переноса электродного металла:

• с непрерывным горением дуги — «длинной дугой»;
• с короткими замыканиями дугового промежутка — «короткой дугой»

Особенность импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом состоит в том, что процессом переноса электродного металла можно управлять. При сварке «длинной дугой» возможны две разновидности переноса:

• один импульс — одна капля;
• один импульс — несколько капель.

Перенос «короткой дугой» характерен для сварки в углекислом газе. Нестабильность и усиленное разбрызгивание электродного металла определяются свойствами источника питания и зависят от характера изменения мгновенной мощности как в период горения дуги, так и при коротком замыкании.

При импульсно-дуговой сварке способом MIG/MAG эффективно синергетическое управление процессом.

Синергетическое управление

Инверторные источники питания позволяют ускорить изменения параметров по току до 1000 А/мс. Высокое быстродействие источника способствует оптимальному выбору токов импульса и паузы, времени импульса и паузы, частоты импульса в зависимости от скорости подачи проволоки Это обеспечивает стабильный перенос капли электродного металла за один импульс.

В современных полуавтоматах внедрены микропроцессорные технологии управления импульсными процессами сварки в зависимости от марки стали, диаметра проволоки, вида защитного газа. Такие системы называются синергетическими.

Благодаря предварительному программированию импульсных режимов во время сварки регулируются только два параметра: сварочный ток и длина дуги. Синергетическое оборудование легко перестраивает режимы сварки в зависимости от марки свариваемой стали, диаметра электродной проволоки и вида защитною газа.

В синергетической системе оборудования фирмы «Кемппи» запрограммированы оптимальные параметры режима сварки для различных комбинаций материала: углеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы; диаметров электродной проволоки сплошного сечения: 1,0; 1,2; 1,6 мм; времени заварки кратера.

Для каждого диаметра проволоки имеется широкий диапазон токовых значений режима, который позволяет сваривать материалы разной толщины и во всех пространственных положениях. Синергетические системы повышают производительность на 20% по сравнению с обычной сваркой MIG/MAG.