Oprócz czynników związanych z procesem, na tworzenie i rozmiar spoiny mogą mieć wpływ również inne czynniki związane z procesem spawania, takie jak rozmiar rowka i rozmiar szczeliny, kąt nachylenia elektrody i przedmiotu obrabianego oraz położenie przestrzenne złącza.
Wpływ prądu spawania na tworzenie się spoiny
W pewnych warunkach, wraz ze wzrostem prądu spawania łukiem elektrycznym, głębokość wtopienia i wzmocnienie spoiny zwiększają się, a szerokość spoiny nieznacznie wzrasta. Przyczyny są następujące:
1) Wraz ze wzrostem prądu spawania łukowego wzrasta siła łuku działająca na element spawany, wzrasta ilość ciepła doprowadzonego łukiem do elementu spawanego, a położenie źródła ciepła przesuwa się w dół, co sprzyja przewodzeniu ciepła w kierunku głębokości jeziorka spawalniczego i zwiększa głębokość wtopienia. Głębokość wtopienia jest w przybliżeniu proporcjonalna do prądu spawania. Głębokość wtopienia spoiny H jest w przybliżeniu równa Km × I. We wzorze Km to współczynnik wtopienia (liczba milimetrów, o jaką zwiększa się głębokość wtopienia spoiny przy zwiększeniu prądu spawania o 100 A), który jest powiązany z metodą spawania łukowego, średnicą drutu, rodzajem prądu itp., jak pokazano w Tabeli 1-1.
| metody spawania łukowego | średnica elektrody/mm | prąd spawania/A | napięcie/V | prędkość spawania/mh-1 | współczynnik penetracji/m m-100A-1 |
spawanie łukiem wolframowo-argonowym | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
spawanie łukiem plazmowym | 1,6 otwór dyszy | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1,2~2 |
| 3,4 otwór dyszy | 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 |
spawanie łukiem argonowym elektrodą topliwą | 1,2~2,4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| Spawanie CO2 | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tabela 1-1 Współczynnik głębokości topnienia Km dla różnych metod i parametrów spawania łukowego (stal spawalnicza)
2) Szybkość topienia się rdzenia spawalniczego lub drutu spawalniczego w spawaniu łukowym jest proporcjonalna do prądu spawania. Ponieważ wzrost prądu spawania w spawaniu łukowym prowadzi do wzrostu szybkości topienia się drutu spawalniczego, ilość topionego drutu spawalniczego wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie, podczas gdy szerokość spoiny rośnie w mniejszym stopniu, co powoduje wzrost wzmocnienia spoiny.
3) Wraz ze wzrostem prądu spawania zwiększa się średnica słupa łuku. Jednak głębokość, na jaką łuk wnika w materiał spawany, wzrasta, a zakres ruchu punktu łuku jest ograniczony. W związku z tym wzrost szerokości spoiny jest stosunkowo niewielki.
W spawaniu metodą MIG (metodą spawania w osłonie gazów obojętnych) wraz ze wzrostem prądu spawania wzrasta głębokość wtopienia spoiny. Zbyt duży prąd spawania i zbyt wysoka gęstość prądu sprzyjają powstawaniu wtopienia palcowego, szczególnie podczas spawania aluminium.
Wpływ napięcia łuku na tworzenie spoiny
W pewnych warunkach, wraz ze wzrostem napięcia łuku, wzrasta jego moc, a tym samym ilość ciepła dostarczanego do spoiny. Jednakże, wzrost napięcia łuku jest osiągany poprzez zwiększenie jego długości. Zwiększenie długości łuku prowadzi do zwiększenia promienia źródła ciepła łuku i zwiększenia rozpraszania ciepła łuku. W rezultacie gęstość energii dostarczanej do spoiny maleje, co powoduje nieznaczne zmniejszenie głębokości wtopienia przy jednoczesnym zwiększeniu szerokości ściegu spoiny. Jednocześnie, ponieważ prąd spawania pozostaje niezmieniony, a ilość topiącego się drutu spawalniczego pozostaje niezmieniona, zbrojenie ściegu spoiny maleje.
W przypadku różnych metod spawania łukowego, aby uzyskać prawidłowy kształt spoiny, czyli utrzymać odpowiedni współczynnik kształtu spoiny φ, należy odpowiednio zwiększyć napięcie łuku, zwiększając jednocześnie prąd spawania. Wymagane jest, aby napięcie łuku i prąd spawania były ze sobą odpowiednio dopasowane. Jest to szczególnie powszechne w przypadku spawania łukowego elektrodą topliwą.
Wpływ prędkości spawania na tworzenie spoiny
W pewnych warunkach zwiększenie prędkości spawania prowadzi do zmniejszenia ciepła dopływowego, a tym samym do zmniejszenia szerokości ściegu i penetracji spoiny. Ponieważ ilość osadzonego drutu na jednostkę długości spoiny jest odwrotnie proporcjonalna do prędkości spawania, prowadzi to również do zmniejszenia wzmocnienia ściegu spoiny.
Prędkość spawania jest ważnym wskaźnikiem oceny wydajności spawania. Aby poprawić wydajność spawania, należy zwiększyć prędkość spawania. Jednakże, aby zapewnić wymagany rozmiar spoiny w projektowaniu konstrukcji, przy jednoczesnym zwiększeniu prędkości spawania należy odpowiednio zwiększyć prąd spawania i napięcie łuku. Te trzy wartości są ze sobą powiązane. Należy również wziąć pod uwagę, że wraz ze wzrostem prądu spawania, napięcia łuku i prędkości spawania (tj. przy użyciu łuku dużej mocy i dużej prędkości spawania), mogą wystąpić wady spawalnicze, takie jak podtopienia i pęknięcia, podczas formowania się jeziorka stopowego i procesu jego krzepnięcia. Dlatego zwiększenie prędkości spawania jest ograniczone.
Wpływ rodzaju i biegunowości prądu spawania oraz rozmiaru elektrody na tworzenie spoiny
1. Rodzaje i biegunowość prądu spawalniczego
Rodzaje prądu spawalniczego dzielą się na prąd stały i przemienny. Spawanie łukowe prądem stałym dzieli się dodatkowo na stały prąd stały i impulsowy prąd stały, w zależności od tego, czy występuje pulsacja prądu; dzieli się je na prąd stały w połączeniu dodatnim (element spawany jest podłączony do bieguna dodatniego) i prąd stały w połączeniu odwrotnym (element spawany jest podłączony do bieguna ujemnego) w zależności od biegunowości. Spawanie łukiem przemiennym dzieli się dodatkowo na prąd przemienny sinusoidalny i prąd przemienny prostokątny, w zależności od kształtu fali prądu. Rodzaj i biegunowość prądu spawalniczego mogą wpływać na ilość ciepła wprowadzanego z łuku do elementu spawanego, a tym samym na tworzenie spoiny. Jednocześnie mogą one również wpływać na proces przenoszenia kropli i usuwanie warstwy tlenku z powierzchni metalu bazowego.
Podczas spawania łukiem elektrycznym w osłonie gazów obojętnych wolframu (TGA) materiałów metalowych, takich jak stal i tytan, wtopienie jest najgłębsze, gdy prąd stały jest podłączony w kierunku dodatnim, a najpłytsze, gdy prąd stały jest podłączony w kierunku odwrotnym, a prąd przemienny znajduje się pomiędzy nimi. Ponieważ wtopienie jest najgłębsze, gdy prąd stały jest podłączony w kierunku dodatnim, a elektroda wolframowa ma najmniejsze straty przypalenia, należy stosować połączenie dodatnie prądu stałego, gdy spawa się materiały metalowe, takie jak stal i tytan, spawa się materiały metalowe, takie jak stal i tytan, spawając łukiem elektrycznym w osłonie gazów obojętnych wolframu. W przypadku spawania łukiem elektrycznym w osłonie gazów obojętnych wolframu (TGA) z impulsem prądu stałego, parametry impulsu można regulować, co pozwala na kontrolowanie wielkości spoiny w zależności od potrzeb. Podczas spawania aluminium, magnezu i ich stopów łukiem elektrycznym w osłonie gazów obojętnych wolframu (TGA) konieczne jest wykorzystanie efektu czyszczenia katody przez łuk, aby oczyścić warstwę tlenku na powierzchni metalu bazowego. Lepszym rozwiązaniem jest prąd przemienny. Ponieważ parametry kształtu fali prądu przemiennego o przebiegu prostokątnym można regulować, efekt spawania jest lepszy.
W spawaniu łukowym elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych, przy odwrotnym podłączeniu prądu stałego, wtopienie i szerokość spoiny są większe niż w przypadku dodatniego podłączenia prądu stałego. W przypadku spawania prądem przemiennym wtopienie i szerokość spoiny znajdują się pomiędzy tymi dwoma parametrami. Dlatego w spawaniu łukiem krytym, odwrotne podłączenie prądu stałego jest zazwyczaj stosowane w celu uzyskania większego wtopienia; natomiast w spawaniu łukiem krytym do napawania, dodatnie podłączenie prądu stałego jest stosowane w celu zmniejszenia wtopienia. W spawaniu łukowym elektrodą metalową w osłonie gazów ochronnych, odwrotne podłączenie prądu stałego nie tylko charakteryzuje się dużą głębokością wtopienia, ale także łuk spawalniczy i proces przenoszenia kropli są bardziej stabilne niż w przypadku dodatniego podłączenia prądu stałego i prądu przemiennego, a ponadto ma efekt czyszczenia katody, dlatego jest powszechnie stosowane. Prąd stały i prąd przemienny są zazwyczaj odrzucane.
2. Wpływ kształtu końcówki elektrody wolframowej, średnicy drutu spawalniczego i długości wydłużenia
Kąt i kształt przedniej części elektrody stearynowej mają większy wpływ na koncentrację łuku i jego ciśnienie. Należy je dobrać odpowiednio do prądu spawania i grubości spawanego elementu. Zasadniczo, im bardziej skoncentrowany łuk i jego ciśnienie, tym większa głębokość wtopienia, a jednocześnie odpowiednio mniejsza szerokość spoiny.
W spawaniu łukowym elektrodą otuloną gazem (GAS), przy stałym prądzie spawania, im cieńszy drut spawalniczy, tym bardziej skoncentrowany jest łuk, wzrasta głębokość wtopienia, a szerokość spoiny maleje. Wybierając średnicę drutu spawalniczego w rzeczywistych projektach spawalniczych, należy również uwzględnić natężenie prądu i morfologię jeziorka spawalniczego, aby uniknąć nieprawidłowego formowania spoiny.
Wraz ze wzrostem długości wyprostowanego drutu podczas spawania łukiem elektrycznym w osłonie gazów ochronnych (GMA), wzrasta ciepło rezystancyjne generowane przez prąd spawania przepływający przez jego wydłużoną część, co powoduje wzrost prędkości topienia drutu. W rezultacie wzrasta wzmocnienie spoiny, a jednocześnie nieznacznie maleje głębokość wtopienia. Ze względu na stosunkowo dużą rezystywność stalowych drutów spawalniczych, wpływ długości wyprostowanego drutu na tworzenie spoiny jest stosunkowo wyraźny w przypadku spawania drutami stalowymi i cienkimi. Rezystywność aluminiowych drutów spawalniczych jest stosunkowo niewielka, więc jej wpływ jest nieznaczny. Chociaż zwiększenie długości wyprostowanego drutu może poprawić współczynnik topienia drutu, to jednak, biorąc pod uwagę aspekty stabilności topienia drutu i tworzenia spoiny, dopuszczalny jest zakres zmienności długości wyprostowanego drutu.
Wpływ innych czynników procesowych na czynniki tworzenia spoiny
Oprócz czynników związanych z procesem spawania, na tworzenie i rozmiar spoiny mogą mieć wpływ również inne czynniki związane z procesem spawania, takie jak rozmiar rowka i rozmiar szczeliny, kąt nachylenia elektrody i przedmiotu obrabianego oraz położenie przestrzenne złącza.
1. Rowek i szczelina
Podczas spawania złączy doczołowych łukiem elektrycznym, zazwyczaj określa się, czy pozostawić szczelinę, jej rozmiar i kształt rowka, zgodnie z grubością blachy spawanej. W pewnych innych warunkach, im większy rozmiar rowka lub szczeliny, tym mniejsze wzmocnienie spoiny, co jest równoważne ze spadkiem pozycji spoiny. W tym momencie zmniejsza się stopień wtopienia. Dlatego pozostawienie szczeliny lub otwarcie rowka może być wykorzystane do kontrolowania rozmiaru wzmocnienia i dostosowania stopnia wtopienia. W porównaniu z pozostawieniem szczeliny, jej brakiem i otwarciem rowka, warunki rozpraszania ciepła w obu przypadkach są nieco inne. Ogólnie rzecz biorąc, warunki krystalizacji przy otwieraniu rowka są korzystniejsze.
2. Pochylenie elektrody (drutu spawalniczego)
Podczas spawania łukowego, w zależności od kierunku nachylenia elektrody i kierunku spawania, rozróżnia się dwa typy nachylenia: nachylenie elektrody do przodu i nachylenie elektrody do tyłu. Nachylenie drutu spawalniczego powoduje odpowiednie nachylenie osi łuku. Nachylenie drutu spawalniczego do przodu osłabia wpływ siły łuku na wyładowanie stopionego metalu do tyłu. Warstwa ciekłego metalu na dnie jeziorka staje się grubsza, głębokość wtopienia ulega zmniejszeniu, głębokość, na której łuk wnika w spoinę, ulega zmniejszeniu, zakres ruchu punktu łuku ulega rozszerzeniu, szerokość spoiny ulega zwiększeniu, a zbrojenie ulega zmniejszeniu. Im mniejszy kąt nachylenia drutu spawalniczego do przodu α, tym bardziej widoczny jest ten wpływ. Gdy drut spawalniczy jest nachylony do tyłu, sytuacja jest odwrotna. Przy spawaniu łukiem elektrycznym osłoniętym elektrodą najczęściej stosuje się metodę pochylenia elektrody do tyłu, a stosunkowo odpowiedni jest kąt nachylenia α wynoszący od 65° do 80°.
3. Pochylenie elementu spawanego
Nachylenie spoiny jest często spotykane w rzeczywistej produkcji i można je podzielić na spawanie pod górę i spawanie pod górę. W tym przypadku, pod wpływem grawitacji, ciekły metal jeziorka ma tendencję do spływania w dół wzdłuż zbocza. W spawaniu pod górę grawitacja pomaga odprowadzać ciekły metal jeziorka do końca jeziorka, dzięki czemu przetop jest głęboki, szerokość spoiny jest wąska, a zbrojenie wysokie. Gdy kąt nachylenia α wynosi od 6° do 12°, zbrojenie jest zbyt duże i łatwo powstają podtopienia po obu stronach. W spawaniu pod górę efekt ten zapobiega odprowadzaniu ciekłego metalu jeziorka do końca jeziorka. Łuk nie może głęboko ogrzać metalu na dnie jeziorka, co powoduje zmniejszenie przetopu, rozszerzenie zakresu ruchu punktu łuku, zwiększenie szerokości spoiny i zmniejszenie zbrojenia. Zbyt duży kąt nachylenia spoiny prowadzi do niewystarczającego przetopu i przelania się ciekłego metalu z jeziorka.
4. Materiał spawalniczy i grubość
Głębokość wtopienia spoiny jest związana z prądem spawania, a także z przewodnością cieplną i objętościową pojemnością cieplną materiału. Im lepsza przewodność cieplna materiału i większa objętościowa pojemność cieplna, tym więcej ciepła potrzeba do stopienia jednostki objętości metalu i podniesienia temperatury o tę samą wartość. Dlatego w pewnych innych warunkach, takich jak prąd spawania, głębokość wtopienia i szerokość spoiny będą się zmniejszać. Im większa gęstość lub lepkość cieczy materiału, tym trudniej łukowi wyprzeć ciekły roztopiony metal jeziorka i tym płytsza jest głębokość wtopienia spoiny. Grubość spawanego elementu wpływa na przewodzenie ciepła wewnątrz spawanego elementu. W tych samych warunkach, wraz ze wzrostem grubości spawanego elementu, wzrasta rozpraszanie ciepła, a szerokość i głębokość wtopienia spoiny maleją.
5. Topnik, powłoka elektrody i gaz osłonowy
Różny skład topników lub otulin elektrodowych prowadzi do różnych spadków napięcia w obszarach elektrod łuku oraz różnych gradientów potencjału kolumny łuku, co nieuchronnie wpływa na tworzenie spoiny. Gdy topnik ma niską gęstość, duży rozmiar cząstek lub małą wysokość ułożenia, ciśnienie wokół łuku jest niskie, kolumna łuku rozszerza się, a punkt łuku ma duży zakres ruchu. W związku z tym przetop jest mały, szerokość spoiny jest duża, a wzmocnienie jest małe. Podczas spawania łukiem dużej mocy grubych elementów, użycie topnika pumeksowego może zmniejszyć ciśnienie łuku, zmniejszyć przetop i zwiększyć szerokość spoiny. Ponadto żużel spawalniczy powinien mieć odpowiednią lepkość i temperaturę topnienia. Jeśli lepkość jest zbyt wysoka lub temperatura topnienia jest stosunkowo wysoka, żużel będzie słabo wentylowany i łatwo będzie tworzyć liczne wgłębienia na powierzchni spoiny, co z kolei będzie prowadzić do jej słabego uformowania.
Skład gazów osłonowych do spawania łukowego (takich jak Ar, He, N₂, CO₂) jest różny, a ich właściwości fizyczne, takie jak przewodność cieplna, również są różne. To powoduje, że spadek napięcia w obszarze biegunowym łuku i gradient potencjału kolumny łuku, przekrój poprzeczny kolumny łuku, siła przepływu plazmy i rozkład strumienia ciepła właściwego są różne. Wszystkie te czynniki wpływają na powstawanie spoin.
Krótko mówiąc, na jakość wykonania spoiny wpływa wiele czynników. Aby uzyskać dobrą jakość spoiny, należy dobrać odpowiednie metody i warunki spawania, uwzględniając materiał i grubość spawanego elementu, położenie spoiny w przestrzeni, kształt spoiny, warunki pracy, wymagania dotyczące jakości wykonania spoiny oraz jej rozmiar. Jednocześnie najważniejsze jest podejście spawacza do spawania! W przeciwnym razie jakość wykonania spoiny i jej jakość mogą nie spełniać wymagań, a nawet mogą pojawić się różnego rodzaju wady spawalnicze.
