Оптимизация режимов ручной дуговой сварки: расчет тока, напряжения и скорости

Качество сварного соединения напрямую зависит от корректно назначенного режима сварки. Этот комплекс параметров включает в себя величину сварочного тока, напряжение на дуге и скорость сварки. Их оптимальное сочетание обеспечивает устойчивое горение дуги, минимальное разбрызгивание металла и формирование шва с требуемыми геометрическими и прочностными характеристиками. Правильный выбор этих величин является фундаментом для получения надежного и долговечного сварного соединения.

Определение величины сварочного тока. Величина сварочного тока является ключевым параметром, зависящим от множества факторов. К ним относятся химический состав и толщина свариваемого металла, положение шва в пространстве, а также диаметр электрода. На основе обобщения практических данных была установлена эмпирическая зависимость для определения силы тока: I = k * dэ. В этой формуле k представляет собой опытный коэффициент, составляющий 40–60 А/мм для электродов из низкоуглеродистой стали и 35–40 А/мм для стержней из высоколегированной стали. Переменная dэ обозначает диаметр электрода, измеряемый в миллиметрах.

Выбор диаметра электрода в зависимости от толщины металла. Выбор правильного диаметра электрода осуществляется на основе толщины свариваемых заготовок. Для тонколистового металла толщиной 0,5 мм рекомендуется использовать электроды диаметром 1,5 мм. При сварке деталей толщиной 1–2 мм применяются электроды диаметром 2,0–2,5 мм. Для средней толщины металла в диапазоне 2–5 мм оптимальными будут электроды 2,5–4,0 мм. Соединение заготовок толщиной 5–10 мм требует применения электродов диаметром 4–6 мм. Для толстого металла свыше 10 мм могут использоваться электроды диаметром от 4 до 8 мм, что также отражено в таблице 6.1 исходного текста.

Влияние длины и напряжения дуги на качество шва. Длина дуги является критически важным параметром, напрямую влияющим на стабильность процесса и качество сварного шва. Оптимальная длина дуги обеспечивает ее устойчивое горение и минимальное разбрызгивание металла. Слишком длинная дуга склонна к обрывам и приводит к повышенному разбрызгиванию, а чрезмерно короткая – к частым коротким замыканиям. Эмпирическая формула для расчета оптимальной длины дуги имеет вид: lд = 0,5(dэ + 2), где dэ – диаметр электрода. На практике эта величина обычно поддерживается в пределах 2–8 мм.

Напряжение горения дуги при токах свыше 100 А определяется преимущественно ее длиной. Расчетная зависимость напряжения описывается формулой: Uд = α + β * lд. Коэффициент α характеризует падение напряжения на электродах и составляет 10–12 В для стальных электродов и 35–38 В для угольных электродов. Коэффициент β отражает падение напряжения на 1 мм столба дуги и варьируется от 2,0 до 2,5 В/мм в зависимости от марки металла и состава газовой среды. Для инициирования процесса требуется более высокое напряжение зажигания дуги: 40–60 В для постоянного тока и 60–80 В для переменного тока.

Расчет массы наплавленного металла и расхода электродов. Масса наплавленного металла определяется геометрией сварного шва и рассчитывается по формуле: М = L * F * ρ / 1000. В данном уравнении L обозначает длину сварного шва в миллиметрах, F – площадь поперечного сечения шва в квадратных миллиметрах, а ρ – плотность наплавленного металла. Для стальных швов значение плотности принимается равным 7,85 г/см³. Этот расчет позволяет точно определить количество металла, необходимое для формирования шва заданных размеров.

Количество металла, переходящего в шов при расплавлении одного электрода, вычисляется иначе: m = (π * d² * lэ * ρ / 4000) * K. Здесь lэ – это стандартная длина электрода, обычно равная 450 мм. Коэффициент K является коэффициентом использования электрода и учитывает неизбежные потери металла на разбрызгивание, угар и образование огарка. Огарком называется неиспользованная часть электрода, остающаяся в электрододержателе. Значение коэффициента K обычно лежит в диапазоне от 0,7 до 0,75.

Зная массу наплавленного металла М и массу металла от одного электрода m, можно определить необходимое для выполнения работы количество электродов стандартной длины по простой формуле: n = M / m. Этот расчет является основой для планирования материальных затрат и организации рабочего места сварщика, обеспечивая наличие достаточного количества расходных материалов.

Расчет основного и полного времени сварки. Основное время горения дуги – это период, в течение которого непосредственно происходит процесс плавления и наплавки металла. Оно рассчитывается по формуле: tο = М / (I * kn). В этой формуле I – величина сварочного тока в амперах, а kn – коэффициент наплавки, измеряемый в г/(А·ч). Значение этого коэффициента зависит от типа покрытия электрода: для тонко обмазанных качественных электродов он составляет 7–8 г/(А·ч), а для толсто обмазанных качественных электродов повышается до 10–12 г/(А·ч).

Полное время сварки всегда превышает основное время горения дуги, так как включает в себя вспомогательные операции. Оно определяется как T = tο / kз. Коэффициент kз представляет собой коэффициент загрузки сварщика, который учитывает время на смену электродов, зачистку швов, перемещение и другие подготовительные операции. Его значение варьируется от 0,4 до 0,8 и зависит от типа производства (серийное, единичное) и характера выполняемых работ.

Определение скорости сварки. Скорость сварки является производным параметром от основного времени и длины шва. Она показывает, какое расстояние проходит дуга вдоль линии соединения за единицу времени и рассчитывается по формуле: Vсв = L / tο. В данном уравнении L – это общая длина сварного шва, а tο – рассчитанное ранее основное время горения дуги. Оптимизация этого параметра позволяет управлять тепловложением в изделие и производительностью процесса в целом.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Е.А. Астафьева, Ф.М. Носков.

Источник: Технология конструкционных материалов.

Данные публикации будут полезны студентам бакалавриата по направлению «Машиностроение», а также всем, кто изучает дисциплину «Технология конструкционных материалов» в рамках укрупненной группы специальностей «Материаловедение, металлургия и машиностроение».