ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ MMA
  
ММА - Manual Metal Arc- ручная дуговая сварка штучными (покрытыми)  электродами. В советской технической литературе обычно использовалось сокращение РДС.
Сущность способа. К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток (рис. 1). Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл. Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность.
 Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т.п. Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8 ... 15 мм, длина 10 ... 30 мм. Доля участия основного металла в формировании металла шва обычно составляет 15 ... 35 %.
 Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покрытие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным металлом. В газовой атмосфере присутствуют также пары основного и электродного металлов и легирующих элементов. Шлак, покрывая капли электродного металла и поверхность расплавленного металла сварочной ванны, способствует предохранению их от контакта с воздухом и участвует в металлургических взаимодействиях с расплавленным металлом.
 Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию сварочного кратера (углублению в шве, по форме напоминающему наружную поверхность сварочной ванны). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку.

 Рис. 1 Ручная дуговая сварка металлическим электродом с покрытием(стрелкой указано направление сварки): 1 - металлический стержень; 2 - покрытие электрода; 3 - газовая атмосфера дуги; 4 - сварочная ванна; 5 - затвердевший шлак; 6 - закристаллизовавшийся металл шва; 7 - основной металл; 8 - капли расплавленного электродного металла; 9 - глубина проплавления
 
 Ввиду того что от токоподвода в электрододержателе сварочный ток протекает по металлическому стержню электрода, стержень разогревается. Этот разогрев тем больше, чем дольше протекание по стержню сварочного тока и чем больше величина последнего. Перед началом сварки металлический стержень имеет температуру окружающего воздуха, а к концу расплавления электрода температура повышается до 500 ... 600 °С (при содержании в покрытии органических веществ - не выше 250 °С). Это приводит к тому, что скорость расплавления электрода (количество расплавленного электродного металла) в начале и конце различна. Изменяется и глубина проплавления основного металла ввиду изменения условий теплопередачи от дуги к основному металлу через прослойку жидкого металла в сварочной ванне. В результате изменяется соотношение долей электродного и основного металлов, участвующих в образовании металла шва, а значит, и состав и свойства металла шва, выполненного одним электродом. Это - один из недостатков ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
Зажигание и поддержание дуги. Перед зажиганием (возбуждением) дуги следует установить необходимую силу сварочного тока, которая зависит от марки электрода, пространственного положения сварки, типа сварного соединения и др. Зажигать дугу можно двумя способами. При одном способе электрод приближают вертикально к поверхности изделия до касания металла и быстро отводят вверх на необходимую длину дуги. При другом - электродом вскользь "чиркают" по поверхности металла. Применение того или иного способа зажигания дуги зависит от условий сварки и от навыка сварщика.
 Длина дуги зависит от марки и диаметра электрода, пространственного положения сварки, разделки свариваемых кромок и т.п. Увеличение длины дуги снижает качество наплавленного металла шва ввиду его интенсивного окисления и азотирования, увеличивает потери металла на угар и разбрызгивание, уменьшает глубину проплавления основного металла. Также ухудшается внешний вид шва.
 Во время ведения процесса сварщик обычно перемещает электрод не менее чем в двух направлениях. Во-первых, он подает электрод вдоль его оси в дугу, поддерживая необходимую в зависимости от скорости плавления электрода длину дуги. Во-вторых, перемещает электрод в направлении наплавки или сварки для образования шва. В этом случае образуется узкий валик, ширина которого зависит от силы сварочного тока и скорости перемещения дуги по поверхности изделия. Узкие валики обычно накладывают при проваре корня шва, сварке тонких листов и тому подобных случаях.
 При правильно выбранном диаметре электрода и силе сварочного тока скорость перемещения дуги имеет большое значение для качества шва. При повышенной скорости дуга расплавляет основной металл на малую глубину и возможно образование непроваров. При малой скорости вследствие чрезмерно большого ввода теплоты дуги в основной металл часто образуется прожог, и расплавленный металл вытекает из сварочной ванны. В некоторых случаях, например при сварке на спуск, образование под дугой жидкой прослойки из расплавленного электродного металла повышенной толщины, наоборот, может привести к образованию непроваров.
 Иногда сварщику приходится перемещать электрод поперек шва, регулируя тем самым распределение теплоты дуги поперек шва для получения требуемых глубины проплавления основного металла и ширины шва.   Глубина проплавления основного металла и формирование  шва главным образом зависят от вида поперечных колебаний электрода, которые обычно совершают с постоянными частотой и амплитудой относительно оси шва (рис. 2). Траектория движения конца электрода зависит от пространственного положения сварки, разделки кромок и навыков сварщика. При сварке с поперечными колебаниями получают уширенный валик, форма проплавления зависит от траектории поперечных колебаний конца электрода, т.е. от условий ввода теплоты дуги в основной металл. По окончании сварки - обрыве дуги следует правильно заварить кратер. 
 Кратер является зоной с наибольшим количеством вредных примесей ввиду повышенной скорости кристаллизации металла, поэтому в нем наиболее вероятно образование трещин. По окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия.
 Необходимо прекратить все перемещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва; расплавляющийся при этом электродный металл заполнит кратер. При сварке низкоуглеродистой стали кратер иногда выводят в сторону от шва - на основной металл. При случайных обрывах дуги или при смене электродов дугу возбуждают на еще не расплавленном основном металле перед кратером и затем проплавляют металл в кратере.

Рис. 2. Основные траектории движения конца электрода при ручной дуговой сварке уширенных валиков
 
 В зависимости от протяженности шва, свойств свариваемого материала, требований к точности и качеству сварных соединений сварка швов выполняется различными способами. На рис. 3 представлены такие схемы сварки. Самое простое - это выполнение коротких швов.

Рис. 3. Виды швов
1 - однослойный шов; 2 - многопроходной шов; 3 - многослойный шов.
 
 Осуществляется движение проход - от начала до конца шва. Если шов более длинный (назовем его швом средней длины), то сварка идет от средины к концам (обратноступенчатым способом). Если варится шов большой длины, то выполняться он может как обратноступенчатым способом, так и вразброс. Одна особенность - если применяется обратноступенчатый способ, то весь шов разбивается на небольшие участки (по 200 - 150 мм) и сварка на каждом участке ведется в направлении, обратном общему направлению сварки.
 «Горка» или «каскад» применяются при выполнении швов конструкций, несущих большую нагрузку и конструкций значительной толщины. При толщинах в 20 - 25 мм возникают объемные напряжения и появляется опасность возникновения трещин. При сварке «горкой» сама зона сварки должна постоянно находиться в горячем состоянии, что очень важно для предупреждения появления трещин. 
 Разновидностью сварки «горкой» является сварка «каскадом». 
 При сварке, низкоуглеродистой стали каждый слой шва имеет толщину 3 - 5 мм в зависимости от сварочного тока. Например, при токе 100А дуга расплавляет металл на глубину около 1 мм, при этом металл нижнего слоя подвергается термической обработке на глубину 1 - 2 мм с образованием мелкозернистой структуры. При сварочном токе до 200А толщина наплавленного слоя возрастает до 4 мм, а термическая обработка нижнего слоя произойдет на глубине 2 - 3 мм. 

Рис. 4. Схемы сварки.
1 - сварка проход; 2 - сварка от середины к краям; 3 - сварка обратноступенчатым способом; 4 - сварка блоками; 5 - сварка каскадом; 6 - сварка горкой 
 
 Чтобы получить мелкозернистую структуру корневого шва, надо нанести подварочный валик, использовав для этого электрод диаметром 3 мм при силе тока в 100А. Перед этим корневой шов должен быть хорошо зачищен. На верхний слой шва наносится отжигающий (декоративный) слой. Толщина такого слоя  1 - 2 мм. Этот слой можно получить электродом диаметром 5 - 6 мм при силе тока в 200 - 300 А. 
 Окончание шва. При окончании сварки, обрыве дуги в конце шва следует правильно заваривать кратер. Кратер является зоной с наибольшим количеством вредных примесей, поэтому в нем наиболее вероятно образование трещин. По окончании сварки не следует обрывать дугу, резко отводя электрод от изделия. Необходимо прекратить все перемещения электрода и медленно удлинять дугу до обрыва; расплавляющийся при этом электродный металл, заполнит кратер. 
 При сварке низкоуглеродистой стали кратер иногда выводят в сторону от шва - на основной металл. Если сваривают сталь, склонную к образованию закалочных структур, вывод кратера в сторону недопустим ввиду возможности образования трещин.
 
Режимы сварки стыковых соединений без скоса кромок 
Характер шва 	
Диаметр электрода, мм 	
Ток в амперах 	
Толщина металла в мм 	
Зазор в мм 	

Односторонний	
3	
180	
3	
1.9	

Двусторонний	
4	
220	
5	
1.5	

Двусторонний	
5	
260	
7-8	
1.5-2.0	

Двусторонний	
6	
330	
10	
2.0	

 Примечание. Максимальные значения тока должны уточняться по паспорту электродов.
 
Режимы сварки стыковых соединений со скосом кромок 
Диаметр электрода, мм 	
Среднее значение тока, А 	
Толщина
металла, мм 	
Зазор, мм 	
Число слоев, кроме подварочного и декоративного 	

первого	
последующего	

	

4	
5	
180-260	
10	
1.5	
2	

4	
5	
180-260	
12	
2.0	
3	

4	
5	
180-260	
14	
2.5	
4	

4	
5	
180-260	
16	
3.0	
5	

5	
6	
220-320	
18	
3.5	
6	

 
 При сварке постоянным током обратной полярности глубина провара на 40- 50% больше, чем постоянным током прямой полярности, что объясняется различным количеством теплоты, выделяющейся на аноде и катоде. При сварке переменным током глубина провара на 15 - 20% меньше, чем при сварке постоянным током обратной полярности.
 Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, положения, в котором выполняется сварка, а также от вида соединения и формы подготовленных кромок под сварку. При сварке встык  листов стали толщиной до 4 мм в нижнем положении диаметр электрода обычно берется равным толщине свариваемого металла. При сварке стали большей толщины используют электроды диаметром 4 - 6 мм при условии обеспечения полного провара соединяемых деталей и правильного формирования шва.
 Напряжение определяет, главным образом, ширину шва. На глубину провара напряжение оказывает весьма незначительное влияние. Если при увеличении напряжения скорость сварки увеличить, ширина шва уменьшится.
 Сила тока в основном зависит от диаметра электрода, а также от длины его рабочей части, состава покрытия, положения сварки. Чем больше ток, тем выше производительность, т. е. больше наплавляется металла. Однако при чрезмерном для данного диаметра электрода токе электрод быстро нагревается выше допустимого предела, что приводит к снижению качества шва и повышенному разбрызгиванию. На рис 5.  представлены схемы сварки стыковых швов навесу, на медной съемной подкладке, с предварительным подварочным швом и на стальной Подкладке.

Рис 5.  Сварка стыковочных швов.
1 - сварка шва «на весу»; 2 - сварка на медной подкладке (съемной); 3 - сварка на стальной остающейся подкладке; 4 - сварка с предварительным и подварочным швом. 
 
 Выполнение горизонтальных, вертикальных и потолочных швов требует определенных навыков так как существует очень большая вероятность вытекания расплавленного металла, падение капель. Чтобы этого не происходило, сварку надо производить очень короткой дугой. Кроме этого будут необходимы и поперечные колебания электрода. 
 Для того что бы удержать слой расплавленного металла в сварочной ванне нужно что бы сила поверхностного натяжения могла удержать массу наплавляемого материала. И чем меньше будет масса, тем больше вероятности, что она будет удержана данной силой (пленкой). Достичь этого можно следующим приемом: конец электрода надо периодически отводить в сторону от ванны, давая возможность расплавленному металлу частично закристаллизоваться. Далее применяется пониженный ток (на 10 или 20%) и электроды меньшего диаметра. Все это даст уменьшение ширины сварочного валика. Для потолочных швов оптимальными являются электроды с диаметром 4 мм, для горизонтальных (включая и вертикалъные) швов берутся электроды с диаметром 5 мм.
Потолочный шов. Самый сложный из всех: Сварку выполняют периодическими короткими замыканиями конца электрода на сварочную ванну, во время которых металл сварочной ванны частично кристаллизуется, что уменьшает объем сварочной ванны. В то же время расплавленный электродный металл вносится в сварочную ванну. При удлинении дуги образуются подрезы. При сварке этих швов создаются неблагоприятные условия для выделения шлаков и газов из расплавленного металла сварочной ванны. 

Рис. 6.  Угол наклона электрода при сварке. 
А - угол при вертикальной сварке; Б - угол при горизонтальной сварке; В - угол при потолочной сварке. 
 
Вертикальный шов. Может быть выполнен двумя способами - на спуск и на подъем. Предпочтительнее сварка на подъем. В этом случае нижележащий, уже частично закристаллизовавшийся металл удерживает находящийся выше расплавленный металл. При данном способе удобно проваривать корень шва и кромок. Объясняется это тем, что расплавленный металл с электрода будет стекать в сварочную ванну. Единственный недостаток данного способа - поверхность шва будет покрыта грубой чешуей. Сварка на спуск легче, но будет труднее получить качественный провар места соединения деталей. Дело в том, что расплавленный металл и шлак будут подтекать под дугу и удерживаться могут только силой поверхностного натяжения и силой действующей дуги. Но эти две силы могут быть недостаточными и расплавленный металл потечет. 
Горизонтальный шов. Более сложен в исполнении, чем вертикальный. Причина - стекание расплавленного металла из сварочной ванны на нижнюю кромку. В результате возможно образование подреза по верхней кромке. При сварке металла повышенной толщины обычно делают скос только одной верхней кромки, нижняя помогает удерживать расплавленный металл в сварочной ванне. Сварка горизонтальных угловых швов в нахлесточных соединениях не вызывает трудностей и по технике не отличается от сварки в нижнем положении.