Сварочная ванна: советы по ее идеальной отработке

Что это такое? Сварочная ванна – это то, что образуется от соприкосновения электрода с деталью. Выглядит как небольшое облачко, в котором плавится вещество. От движения руки разделяется на две части, образуя прочное соединение.

Что следует учесть? У начинающих сварщиков сварочная ванна получается не сразу. Часто выходят непровары или шлак. На помощь приходит долгая и кропотливая отработка умения. Потренировавшись на разных видах металла, идеальная сварочная ванна гарантирована, а вместе с ней и крепкое соединение.

Что такое сварочная ванна

Так называется зона, в которой расплавляется металл соединяемых при сварке кромок и происходит проникновение в зазор между ними присадочного материала. Без правильно сформированной зоны плавления невозможно получить качественный и надежный сварной шов.

От формы и размеров сварочной ванны напрямую зависят толщина сварного соединения и высота шовного валика. Эти параметры в свою очередь оказывают влияние на надежность швов и основные пользовательские характеристики готовых изделий. Форму и размеры сварочной ванны определяют границы области, в которой тепловое поле создает температуру, превышающую температуру плавления материала соединяемых заготовок.

На практике в процессе формирования границ сварочной ванны участвуют разные факторы, к примеру, вес расплава, поверхностное натяжение жидкого металла и давление, которое оказывает на расплавленный металл источник нагрева. Локально нагревающая и расплавляющая материал соединяемых кромок дуга давит на расплав, выталкивая его в заднюю часть ванны, что приводит к изменению очертаний зоны расплавления.

Интенсивность этого воздействия обычно определяют по разности уровней жидкого металла. Форма сварочной ванны и соотношение ее ширины, длины и глубины могут существенно меняться при изменении внешних условий.

Свойства сварочной ванны

Вытянутая вдоль кромок соединяемых деталей сварочная ванна непосредственно влияет на характеристики сварных соединений. Если для формирования шва не применяется присадочный металл, такую сварку называют автогенной.

Зону термического влияния в сварочных ваннах формируют следующие отличающиеся своей формой и структурой участки:

• неполного расплавления;
• перегрева;
• нормализации;
• неполной перекристаллизации;
• рекристаллизации;
• синеломкости.

Участок неполного расплавления формируется твердо-жидким расплавом. Здесь основной материал сплавляется с присадочным при температуре, превышающей температуру плавления металла, то есть от +1 500 °C и выше.

Зона перегрева, температура в которой находится в диапазоне от +1 100 °C до +1 500 °C, формируется сильно нагретым материалом соединяемых заготовок. Металл здесь имеет крупнозернистую структуру и низкие механические характеристики. На этом участке могут образовываться закаливаемые структуры.

Зона нормализации образуется при температуре в диапазоне от +930 °C до +1 100 °C металлом с мелким зерном в структуре, которому присущи высокие механические характеристики.

В области неполной перекристаллизации основной металл с крупными зернами в кристаллической структуре сменяется зоной мелкого зерна. Этот переход имеет место при температуре в этой зоне сварочной ванны, колеблющейся в диапазоне от +720 °C до +930 °C. 

Зона рекристаллизации формируется основным металлом, у которого под действием температуры (от +450 °C до +720 °C) могут восстанавливаться форма и размеры зерна в кристаллической решетке.

Зона синеломкости образуется металлом со сниженной пластичностью, структура которого не подверглась видимым структурным изменениям. Температура в этой области колеблется в диапазоне от +200 °C до +450 °C. Структуру и механические характеристики материала в месте соединения кромок и в зоне термического влияния можно существенно улучшить с помощью горячей проковки нагретого при сварке металла. Размеры околошовной зоны зависят от метода сварки и температурного режима. Ее средняя ширина (в зависимости от сварочной технологии):

• ручная дуговая сварка – от 3 до 6 мм;
• сварка под флюсом – от 2 до 4 мм;
• сварка в защитном газе – от 1 до 3 мм;
• электрошлаковая сварка – от 11 до 14 мм;
• газовая сварка – от 8 до 28 мм.

Ширина области термического влияния при сварке находится в прямой зависимости от сварочной температуры и в обратной – от скорости, с которой движется электрод относительно соединяемых заготовок.

При формировании потолочных сварочных швов жидкий металл не вытекает из сварочной ванны главным образом благодаря поверхностному натяжению. Чтобы получить качественное сварное соединение, эта сила должна превосходить массу расплавленного металла. Достичь такого эффекта можно, уменьшая размер зоны термического влияния. Для этого нужно вести сварку короткими замыканиями дуги, в промежутках между которыми часть металла будет кристаллизоваться.

Для работы в таких случаях следует выбирать электроды с маленьким диаметром стержня. Можно снизить до минимума силу тока и/или использовать специальные электроды, состав которых позволяет получить более вязкий расплав.

Сварочная ванна при дуговой сварке

Нагрев при дуговой сварке распределяется неравномерно. Головная часть сварочной ванны содержит расплав, нагретый источником тепла до значений, превышающих температуру плавления металла. В этой области металл, шлак и газ крайне активно взаимодействуют между собой. В хвостовой части сварочной ванны температура не намного выше температуры плавления основного металла. В среднем при дуговой сварке заготовок из низкоуглеродистых конструкционных стальных сплавов температура расплава равна примерно +1 800 °C, а максимальное значение может достигать +2 300 °C. 

Из-за механического воздействия, оказываемого на поверхностные слои расплавленного металла, который формирует головную часть сварочной ванны, расплав оттекает от основания дуги, и глубина ее проникновения в основной металл увеличивается. Сила давления, оказываемого дугой на поверхность жидкого металла, пропорциональна квадрату тока, который протекает через столб дуги. Причинами возникновения такого эффекта служат совместное действие упругих ударов заряженных частиц, давление газа в самой дуге и электродинамические силы, вызывающие ее движение.

Для увеличения давления можно использовать повышенную сварочную температуру, более высокую плотность тока, подаваемого на электрод, воспользоваться флюсом или огнеупорным покрытием, образующим гильзу на конце стержня. Такой метод называют сваркой с глубоким проникновением. Чем сильнее дуга давит на верхние слои расплава, тем дальше в него проникает ее столб, а значит, можно работать с меньшим усилием, прилагаемым к электроду, когда применяется сварка с поступательным движением или многодуговая сварка наклонными электродами.

Сила, действующая на верхние слои жидкого металла в сварочной ванне, вытесняет его из-под основания столба дуги. Если плотность тока на электроде не превышает 15 А/мм2, речь будет идти о незначительном смещении расплава, которое сформирует незаполненные металлом углубления или кратеры. Если повышать плотность тока, расплав будет смещаться более заметно, вплоть до полного его вытеснения из пространства, находящегося непосредственно под стержнем электрода. В таком случае будет наблюдаться большая разность между уровнями расплава в головной и хвостовой частях сварочной ванны.

При сварке оптимальным условием является одинаковое значение давления дуги Pd и гидростатического давления расплава и шлака Pg. Когда первое значение начинает превышать второе, нарушается формирование качественного сварного соединения. В случае если Pg превышает Pd, углубление на конце шва заполняется жидким металлом и шлаком.

Критерии неправильной сварочной ванны

Правильная сварочная ванна должна иметь форму овала, вытянутого в сторону движения электрода. При этом диаметр меньшей окружности должен быть немного больше толщины стержня с покрытием, а большей – превышать его примерно на 50 %.

Сила сварочного тока

Необходимо обращать внимание на то, как выглядит сварочная ванна. Важно, чтобы она была плоской и затекала на обе соединяемые кромки. Если металл в зоне плавления образует наплывы, ток следует повысить, а при чрезмерном увеличении диаметра ванны – убавить.

При маленьком токе формирование сварного соединения затруднено, и зона плавления покрывается бурлящим шлаком. Если ток выставлен правильно, вы сможете увидеть сварочную ванну, из которой дуга вытесняет шлак и процесс в таком случае идет ровно, а при слишком большом токе контроль формирования шва будет даваться с большим трудом. Чем выше квалификация сварщика, тем больший сварочный ток он может использовать в своей работе.

Провары и прожоги

Об опасности возникновения прожога говорит площадь сварочной ванны, а не ее глубина. Металл может прогореть насквозь, даже когда он не проварен. О проплавлении на всю глубину заготовки свидетельствует наличие небольшого отверстия перед зоной плавления, которое в ходе формирования шва затягивается само.

Чтобы проварить металл соединяемых кромок, нужно использовать ток достаточной плотности. Если оборудование или сеть не дают возможности ее увеличить, можно воспользоваться электродами меньшего диаметра.

Как контролировать глубину, на которую проваривается металл? При избыточном токе или использовании электрода слишком большого сечения сомнений не будет – мы просто обнаружим сквозное отверстие. А какие визуальные признаки свидетельствуют о недостаточном сварочном токе? Если плотности тока недостаточно, сварочная ванна будет разрываться, а разрывы будет заполнять шлак. Также мы увидим горбы, растущие на валике шва.

Советы по отработке сварочной ванны

Чтобы приобрести необходимые навыки, лучше всего наплавлять валик на металлическую пластину. Нужно взять заготовку толщиной от 4 до 5 мм (слишком толстая не подойдет, так как результат будет искажен из-за отведения тепла). Если вы варите инвертором, возьмите электрод с диаметром стержня 2 мм и установите ток 70 А. Зажигать дугу лучше, чиркая по металлу кончиком электрода.

После появления дуги нужно держать стержень почти под прямым углом к поверхности пластины. Сначала под кончиком электрода набухнет шлаковый пузырь. Затем, когда его диаметр превысит сечение электрода примерно на 50 %, нужно сделать вокруг пузырька шлака оборот и поравнявшись с местом, откуда начинается шов, слегка отклонить стержень по ходу движения (наклон должен составлять 15–20°).

Далее нужно слегка нажать на электрод так, чтобы покрытие коснулось металла, наблюдая при этом за дугой. При сгорании присадочного металла дуга будет перемещаться вперед. За стабильность дугового промежутка при этом отвечает обмазка стержня, если сохранять упор и наклон. Усилие должно быть направлено строго вниз, чтобы не дать электроду оторваться от поверхности заготовки. 

Затем дуга, оторвавшись от шлака, разделит пространство под электродом на два сектора: возле кончика электрода образуется зона темного блестящего металла, а за ее пределами поверхность будет мутной от набегающего шлака. В области с темным и блестящим расплавом мы увидим, собственно, саму сварочную ванну, которая должна иметь форму слегка вытянутого овала, что свидетельствует о правильно выбранных параметрах силы тока и скорости сварки.

На этом этапе обучения не нужно жалеть электродов, повторяя упражнение до тех пор, пока вы не научитесь при любых настройках оборудования и типе расходников получать сварочную ванну с требуемыми характеристиками. Попробуйте сформировать ряд швов с разным наклоном стержня. Удалив шлак, вы увидите, как влияет на формирование валика скорость сварки, а также как зависит качество сварного соединения от формы сварочной ванны.

Если вы почувствуете, что теряете контроль над процессом, лучше разорвать дугу. Удлинять ее не следует – чем больше площадь ванны, тем вероятнее прожог. Не обращайте внимания на шлак, давая ему свободно литься.

Выше мы кратко разобрали, что такое сварочная ванна и как от нее зависит качество сварных швов. Главное, о чем следует помнить, – ценность упорных тренировок, которые позволят приобрести навыки, необходимые каждому сварщику, чтобы научиться создавать качественные сварные соединения, работая на разных типах оборудования с различными сварочными материалами и токами.