Для ручной дуговой сварки используют сварочную дугу прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием. В промышленности и при высокотехнологических способах сварки применяют также многоэлектродные дуги.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. Вследствие того, что мгновенные значения переменного тока переходят через нуль 100 раз в секунду, ионизация дугового промежутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по сравнению с дугой постоянного тока. Поэтому для этого вида дуги используют специальные электроды с соответствующим покрытием, которое стабилизирует дугу при пропадании тока.

При применении постоянного тока, как упоминалось выше, различают сварку на прямой и обратной полярности. В первом случае электрод подключается к отрицательному полюсу и служит катодом, а изделие – к положительному полюсу и служит анодом, т. е. ток идет от электрода к нагреваемому металлу. Во втором случае электрод подключается к положительному полюсу и служит анодом, а изделие – к отрицательному и служит катодом. Свободные электроны движутся от свариваемого металла через электрод, что ведет к сильному нагреву последнего. При одних и тех же параметрах источника сварочного тока температура на поверхности свариваемого металла при обратной полярности будет ниже, и этот эффект широко используют при сварке тонкой или высоколегированной стали. Если же сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление и тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300–2500 °C, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т. д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис. 14). Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный – для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный – для сварки в среде аргона.

Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющейся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны (так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр).

Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей.

Рис. 14. Расплав и перенос электродного материала:

а – метод короткого замыкания (I – короткое замыкание; II – образование прослойки из жидкого металла; III – образование шейки; IV – возникновение дуги и образование газового облака вокруг столба дуги); б – капельный метод; в – струйный метод

При прохождении электрического тока по элементам сварочной цепи, в том числе по свариваемому изделию, создается магнитное поле, напряженность которого зависит от силы сварочного тока. Это магнитное поле сварочного контура может воздействовать на газовый столб электрической дуги.

Нормальная дуга бывает при симметричном относительно нее подводе тока (рис. 15, а). В этом случае собственное круговое магнитное поле тока оказывает равномерное воздействие на столб дуги.

При несимметричном относительно дуги подводе тока к изделию вследствие сгущения силовых линий кругового магнитного поля со стороны токопровода происходит отклонение дуги от оси электрода в поперечном или продольном направлении. По внешним признакам это подобно смещению факела открытого пламени при сильных воздушных потоках. При этом затрудняется и сам процесс сварки, нарушается стабильность горения дуги. Такое явление называют магнитным дутьем (рис. 15, б – в).

Рис. 15. Магнитное дутье:

а – нормальное положение; б – отклонение влево; в – отклонение вправо; г – действие ферромагнитной массы (пунктиром показана компенсирующая масса); д – несимметричность покрытия («козыряние» электрода); е – химическая неоднородность свариваемой стали

Массивные сварные изделия (ферромагнитные массы) имеют бо́льшую магнитную проницаемость, чем воздух. Поскольку магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по среде с меньшим сопротивлением, дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 15, г).

Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода и угла наклона электрода, размещения у места сварки компенсирующих ферромагнитных масс, замены постоянного сварочного тока переменным или использования инверторных источников питания.

На столб сварочной дуги действует также несимметричное магнитное поле, которое создается током, протекающим в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токоподводу.

Отклонение дуги могут вызвать несимметричность покрытия электрода (рис. 15, д) и химическая неоднородность свариваемой стали (рис. 15, е). На величину отклонения дуги влияет и угол наклона электрода, поэтому для его уменьшения электрод наклоняют в сторону отклонения дуги, а также уменьшают длину дуги.

Нередко при сварке наблюдается блуждание дуги – беспорядочное перемещение сварочной дуги по изделию, обусловливаемое влиянием загрязнения металла, потоков воздуха и магнитных полей. Особенно часто это наблюдается при сварке угольным электродом. Блуждание дуги ухудшает процесс формирования шва, поэтому для его устранения иногда используют постоянное продольное магнитное поле, создаваемое соленоидом, расположенным вокруг электрода.

Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла Pm, давления сварочной дуги Рd и сил поверхностного натяжения Рn, представлен на рис. 16. Распределение этих сил во многом зависит от расположения сварного шва в пространстве. При нижнем расположении шва и при сквозном проплавлении жидкий металл удерживается в ванне силами поверхностного натяжения, которые уравновешивают силу тяжести Рm и давление, оказываемое на ванну источником теплоты Рd, т. е. Рn = Рd + Рm. Если это равновесие сил нарушается, то может произойти разрыв поверхностного слоя и металл вытечет из ванны, образуя прожог. В реальных условиях, когда сварочная ванна перемещается вдоль шва, могут возникать дополнительные силы гидродинамического характера, перемещающие расплавленный металл в хвостовую часть ванны. Для того чтобы уравновесить все эти силы, удерживающие жидкий металл в объеме ванны, приходится принимать дополнительные меры: сварку на подкладках или других удерживающих приспособлениях. Особенно велико значение таких мер при вертикальном и потолочном расположении шва.

Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям – снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, т. е. сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения; при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги.

Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. При неправильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию (с образованием подрезов и наплывов), что в конечном итоге снижает прочность сварки.

При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги.

Рис. 16. Силы, действующие в сварочной ванне, и формирование шва:

а – нижнее положение; б – вертикальное; в – горизонтальное; г – потолочное; Vсв – направление сварки; 1 – подрез; 2 – наплыв

Защита плавящегося металла и расплавленной сварочной ванны от вредного воздействия окружающего воздуха при дуговой сварке является одной из главных задач обеспечения определенного качества шва. Такая защита обеспечивается истекающей из сопла горелки направленной струей защитного газа. Широко применяют в качестве защитных инертные (аргон, гелий) и активные (углекислый газ и азот) газы, а также их смеси.

Аргон – при обычных условиях бесцветный, неядовитый, невзрывоопасный газ без запаха и вкуса (может накапливаться в слабопроветриваемых помещениях у пола и в приямках; при этом снижается содержание кислорода в воздухе, что приводит к кислородной недостаточности, а при значительном понижении содержания кислорода – к удушью, потере сознания и смерти человека). С большинством элементов аргон не образует химических соединений. В металлах как в жидком, так и в твердом состоянии аргон нерастворим.

Промышленность выпускает жидкий и газообразный аргон двух сортов в соответствии с ГОСТ 10157–79: высший (объемная доля аргона не менее 99,993 %) и первый (объемная доля аргона не менее 99,987 %). Газообразный аргон хранят и транспортируют в стальных 40-литровых баллонах под давлением 150 кг/см² (15 МПа). Объем газообразного аргона можно приближенно определять как произведение вместимости баллона на давление газа в баллоне. Баллон для аргона окрашен в серый цвет, надпись зеленого цвета. Иногда используют жидкий аргон, который подвергают газификации. Жидкий аргон – бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при атмосферном давлении –185,7 °C и плотностью 1,784 кг/м³; хранится в сосудах Дьюара. Газообразный аргон в 1,4 раза тяжелее воздуха, поэтому его струя надежно и длительно удерживается в зоне сварки и хорошо защищает сварочную ванну. Плотность газообразного аргона – 1,662 кг/м³ при нормальных условиях. Расход аргона при сварке зависит от диаметра электрода и обычно составляет от 100 до 500 л/ч.

Гелий не имеет цвета и запаха, плотность 0,18 кг/м³, т. е. в 10 раз легче аргона. Газ неядовит, хорошо диффундирует через твердые тела (гелиевые течеискатели используются при проверке плотности швов), значительно легче воздуха и аргона. Не образует химических соединений с большинством элементов.

В соответствии с ТУ 0271–135–31323949–2005 промышленностью поставляется гелий для сварки двух марок: А и Б. Условия поставки регламентируются ГОСТ 20461–75. Чаще всего транспортируют и хранят гелий в газообразном состоянии в стальных баллонах под давлением 15 МПа (150 кг/см²).

Стоимость гелия значительно выше, чем аргона, поэтому для сварки он применяется редко, обычно в виде добавки к аргону. Благодаря высокому значению потенциала ионизации, что повышает проплавление, гелий применяют в тех случаях, когда требуется получить большую глубину проплавления или специальную форму шва, а также при сварке сплавов на основе алюминия и магния, химически чистых и активных материалов и сплавов.

Баллоны для гелия окрашены в коричневый цвет, имеют белую надпись «Гелий». Расход гелия на 1 м шва на 50 % больше, чем аргона, при сварочном токе 300 А он составляет примерно от 200 до 900 л/ч, так как этот газ в 10 раз легче аргона и быстро улетучивается из зоны сварки в атмосферу, поэтому для поддержания надежной зашиты сварочной ванны необходимо увеличивать подачу (расход) гелия.

Азот – бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичен и не взрывоопасен. Он немного легче воздуха, плотность 1,2506 кг/м³ при нормальных условиях (температура 0 °C, атмосферное давление 101325 ПА). Температура кипения –195,8 °C, критическая температура –148,15 °C, критическое давление – 3,39 МПа (33,9 кг/см²). По отношению к стали и другим металлам азот является активным газом, часто вредным, и его концентрацию в зоне сварки стремятся ограничить. По отношению к меди и ее сплавам является инертным газом и применяется для сварки и наплавки, а также для плазменной резки. Например, вибродуговая наплавка бронзовой проволокой КМЦ3–1 на стальную поверхность поршней и штоков выполняется в защитной среде азота. Он поставляется в газообразном состоянии в соответствии с ГОСТ 9293–74 «Азот газообразный и жидкий. Технические условия» следующих сортов (объемная доля азота в %, не менее): газообразный и жидкий азот особой чистоты (1-й сорт – 99,999; 2-й сорт – 99,996), повышенной чистоты (1-й сорт – 99,99, 2-й сорт – 99,95), технический (1-й сорт – 99,6, 2-й сорт – 99,0). Хранится в газообразном состоянии в стальных 40-литровых баллонах под давлением 15 МПа (150 кг/см²).

Углекислый газ, или двуокись углерода (СO₂), высший оксид углерода, может находиться в газообразном, сжиженном и твердом (в виде сухого льда) состоянии. Он бесцветен и неядовит, но при концентрации более 5 % (92 г/м³) отрицательно влияет на здоровье человека. Имеет слабый кисловатый запах и вкус, хорошо растворяется в воде и придает ей кислый вкус; хорошо растворяет машинное масло. Плотность при атмосферном давлении и 20 °C – 1,98 кг/м³; температура сжижения при атмосферном давлении – 78,5 °C; выход газа из 1 кг жидкой углекислоты при нормальных условиях – 509 литров.

Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,6 раза. Вступает в химические реакции (взаимодействия) с расплавленным металлом ванны и растворяется в нем. Окисление металла шва нейтрализуется раскислителями, содержащимися в проволоке.

Двуокись углерода определяют и продают по массе. Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостатке теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается.

В состав двуокиси углерода, согласно ГОСТ 8050–85, входит еще водяной пар в количестве не более 0,037 г/м³ для высшего сорта и не более 0,184 г/м³ для 1-го сорта (в 5 раз больше). Содержание водяных паров в двуокиси углерода 2-го сорта не нормируется. Об этом нужно помнить при сварке швов высокого качества, применяя для уменьшения влаги силикагелевые осушители.

Транспортируется и хранится углекислота в стальных 40-литровых баллонах под давлением от 60 до 70 кг/см². В такой баллон вмещается 25 кг жидкой углекислоты, занимающей неполный объем (до 80 %) баллона, остальной объем занят испарившимся газом. Объем газообразного СО₂ в баллоне составляет около 13 м³. Цвет баллона черный, надпись желтого цвета.

Смеси газов нередко применяются в производстве для получения швов повышенного качества. В ряде случаев они обладают лучшими технологическими свойствами, чем остальные газы. Смесь CO₂ и O₂ (2–5 %) обеспечивает мелкокапельный перенос металла, уменьшает разбрызгивание на 30 % и улучшает формирование шва.

Смесь 70 % гелия и 30 % аргона повышает производительность сварки алюминия, увеличивает глубину проплавления, улучшает формирование шва. Смесь газов аргона (88 %) и СO₂ (12 %) повышает стабильность дуги при сварке стали, заметно уменьшает и измельчает разбрызгивание металла, улучшает формирование шва за счет существенного снижения поверхностного натяжения жидкого металла из электродной проволоки. Благодаря добавке окислительного газа улучшаются форма и глубина провара, уменьшается количество брызг. При увеличении СO₂ до 25–30 % стабильность процесса заметно снижается, а при содержании СO₂ до 40–50 % сварка в смеси с аргоном практически мало отличается по электрофизическим характеристикам от сварки в чистом СO₂.