Сварочные дуги в аргоне

УДК 621.791 
ББК 30.61 
С34 
 
 
 
 
Рецензенты:  
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой  
«Информатика и системы управления»  
Волжского университета им. В. Н. Татищева С. В. Краснов; 
доктор технических наук, профессор Тольяттинского 
государственного университета А. И. Ковтунов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Сидоров, В. П. 
С34  
Сварочные дуги в аргоне : монография / В. П. Сидоров, Д. Э. Советкин, 
А. В. Мельзитдинова. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
296 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1986-4 
 
Приведены сравнение и анализ производительности и энергетической эффективности четырех основных видов дуги в инертных газах с различным подключением электродов. Изложены методики расчета оптимальных параметров процесса.  
Для научных работников и инженеров производства, а также преподавателей и студентов высших технических учебных заведений. 
 
УДК 621.791 
ББК 30.61 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1986-4 
© Сидоров В. П., Советкин Д. Э., Мельзитдинова А. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 5 
1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВОБОДНОЙ ДУГИ ПРЯМОЙ 
ПОЛЯРНОСТИ 
............................................................................................................ 7 
1.1. Характеристики ввода тепла в изделие .......................................................... 7 
1.2. Параметры дуговой сварки вольфрамовым электродом на прямой 
полярности .............................................................................................................. 14 
1.3. Тепловые характеристики дуги прямой полярности 
................................... 22 
1.4. Исследование проплавления пластин при наплавке точек 
......................... 28 
1.5. Методика калориметрирования образцов .................................................... 44 
1.6. Калориметрирование эффективной энергии при наплавке точек  
на высоколегированную сталь .............................................................................. 50 
1.7. Расчет температур в пластинах по размерам наплавленных точек ........... 56 
1.8. Применение модели НКИ для сварных швов на высоколегированных 
сталях 
....................................................................................................................... 61 
1.9. Коэффициенты схемы точечного источника тепла по ширине обратного 
валика ...................................................................................................................... 70 
1.10. Методика определения коэффициентов модели НКИ на поверхности 
плоского слоя 
.......................................................................................................... 77 
1.11. Вопросы численного математического моделирования формирования 
сварочной ванны 
..................................................................................................... 81 
1.12. Численное моделирование энергетических параметров свободной  
дуги .......................................................................................................................... 98 
1.13. Явление отставания анодного пятна дуги при ее движении  
по свариваемой детали [96] 
................................................................................. 105 
1.14. Разновидности аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом  
на прямой полярности ......................................................................................... 108 
1.14.1. Сварка пульсирующим током [45] ......................................................... 108 
1.14.2. Сварка с подогревом присадочной проволоки [45] 
.............................. 109 
1.14.3. Многодуговая сварка [45] ....................................................................... 109 
1.14.4. Сварка проникающей дугой [45] ............................................................ 110 
1.14.5. Сварка с использованием активирующих флюсов [85, 87] ................. 111 
1.14.6. Сварка комбинацией дуг прямого и косвенного действия [83] .......... 111 
Заключение по главе 1 ......................................................................................... 112 
2. ДУГА В АРГОНЕ ОБРАТНОЙ ПОЛЯРНОСТИ С ВОЛЬФРАМОВЫМ 
ЭЛЕКТРОДОМ 
........................................................................................................ 114 
2.1. Основные свойства дуги обратной полярности 
......................................... 114 
2.2. Исследование температур в вольфрамовом электроде в дуге обратной 
полярности ............................................................................................................ 118 
2.3. Конструкции неплавящихся электродов для сварки на обратной 
полярности ............................................................................................................ 131 
2.4. Разработка неплавящегося электрода с прямым охлаждением  
вольфрама 
.............................................................................................................. 140 
3 

2.5. Испытания электрода с прямым охлаждением тыльной части  
и технология его изготовления ........................................................................... 145 
2.6. Механизм взаимодействия сварочной дуги обратной полярности  
с поверхностью алюминия [50] .......................................................................... 152 
2.7. Определение эффективной мощности свободной дуги на обратной 
полярности ............................................................................................................ 168 
Заключение по главе 2 ......................................................................................... 169 
3. ДУГА С ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ (СПЭ) В ЗАЩИТНЫХ  
ГАЗАХ ...................................................................................................................... 170 
3.1. Характеристики плавления и параметры дуги с плавящимся  
электродом ............................................................................................................ 170 
3.2. Плавление алюминиевого электрода в дуге прямой полярности ............ 188 
3.3. Эффективная мощность дуги обратной полярности с алюминиевым 
плавящимся электродом ...................................................................................... 190 
3.4. Технологические особенности сварки разнополярными импульсами  
тока прямоугольной формы (РПИ) 
..................................................................... 198 
3.5. Установка для сварки в защитных газах DC-300 
....................................... 204 
3.6. Расчет размеров шва при сварке плавящимся электродом в защитных 
газах ....................................................................................................................... 206 
3.7. Разновидности сварки плавящимся электродом в защитных газах 
......... 209 
3.7.1. Сварка по узкому зазору 
............................................................................ 209 
3.7.2. Способ наплавки с дополнительной горячей присадкой 
....................... 213 
3.7.3. Способ наплавки цветных металлов комбинацией проволок [109] ..... 216 
4. ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ......................................................................... 236 
4.1. Общие сведения 
............................................................................................. 236 
4.2. Исследование проплавления и очистки поверхности при сварке 
алюминиевых сплавов ......................................................................................... 244 
4.3. Методика определения удельных эффективных мощностей  
полярностей дуги с РПИ 
...................................................................................... 279 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 283 
 
 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Прошло более 220 лет со времени открытия электрической дуги российским физиком Василием Васильевичем Петровым. В 2020 году следовало отмечать юбилей этого открытия. Однако, как ни странно, это важное событие прошло незамеченным даже и среди сварочной общественности и это несмотря  
на то, что в настоящее время дуговая сварка является важнейшим практическим 
применением электрической дуги. С даты открытия дуги опубликованы, наверное, десятки тысяч научных статей об ее свойствах, но по-прежнему она привлекает к себе внимание исследователей. Разнообразие условий, в которых действует сварочная дуга огромно, хотя бы из-за огромного разнообразия свариваемых металлов. Причем появляются все новые и новые сплавы, которые необходимо сваривать. Разнообразны и среды, в которых действует сварочная дуга: 
инертные и активные газы, смеси различных газов, флюсы и т. д. 
Одним из наиболее интересных видов сварочных дуг является дуга в среде 
инертных газов – аргона, гелия или их смесей. Она несколько проще для изучения, 
чем другие виды дуг, поскольку защитная среда практически не участвует в металлургических процессах. В ней в «чистом» виде можно выделить некоторые 
процессы и затем использовать результаты при исследовании других видов дуг. 
Особенностью данной работы является то, что в ней последовательно рассматриваются четыре основных вида дуги в инертных газах с различным подключением электродов. Полярность сварочной дуги очень важна с технологической точки зрения. Дуга прямой полярности с вольфрамовым электродом 
наиболее распространена. Наоборот, дуга обратной полярности с таким же 
электродом применяется на порядок реже из-за низкой стойкости вольфрамового электрода. Однако увеличение токовых нагрузок на такой электрод сулит ряд 
преимуществ. К тому же, данные по нагреву изделия дугой прямой полярности 
при сварке могут быть использованы для изучения особенностей нагрева неплавящегося электрода и повышения его стойкости. Поскольку дуга обратной 
полярности с вольфрамовым электродом изучалась только при весьма малых 
токах, свойства ее при увеличении токов представляют значительный интерес. 
Также, для этого вида дуги весьма интересен процесс очистки алюминиевых 
деталей от окисной пленки алюминия, о механизме которого исследователи  
до сих пор не пришли к единому мнению. 
Следующей разновидностью дуг в инертных газах являются дуги с плавящимся электродом, которые используются преимущественно на обратной полярности. Токи дуги в этом случае намного больше, чем у дуги с вольфрамовым электродом, но поведение катодного пятна на изделии, роль катодных 
процессов и электродного металла в проплавлении основного металла изучена 
явно недостаточно. И опять же, данные по плавлению электродов, температуре 
капель электродного металла могут быть использованы при изучении такого 
вида дуги с неплавящимся анодом. 
Последний вид дуги, рассматриваемый в книге – дуга переменного тока  
с вольфрамовым электродом. Она представляет из себя комбинацию дуг прямой и обратной полярности, чередующихся с высокой частотой до 250 Гц. 
5 

Причем в настоящее время наибольшее применение нашла дуга, в которой соотношение времени и величины токов полярностей могут регулироваться. Разработанное оборудование позволяет, в принципе, использовать несколько видов 
сварочных дуг. Естественно, что при изучении такой дуги можно использовать 
многое из того, что установлено для трех дуг стационарного действия, о которых сказано выше. 
В данной работе представлена концепция, согласно которой процесс сварки для получения какого-либо показателя качества следует рассматривать как 
многопараметрическую функцию. Параметры этой функции целесообразно 
разделять на условия сварки и режимы сварки, что имеет особое значение  
для автоматического регулирования сварочных процессов. Известно, что формирование сварного шва протекает под действием теплового и силового воздействия, генерируемого дугой и которые подчиняются различным функциональным зависимостям от параметров сварки. Введение и использование такого 
показателя как относительный коэффициент передачи возмущений (ОКПВ) 
позволяет оценить роль каждого параметра в формировании шва. Множество 
параметров сварки характеризует гибкость технологического процесса сварки в 
отношении раздельного регулирования параметров теплового и силового поля 
дуги. 
Наиболее важными процессами при сварке плавлением являются тепловые 
процессы. Им уделяется в книге особое внимание. При этом предлагается подход на основе классических линейных моделей, заключающийся в определении 
коэффициентов модели за счет измерения размеров сварных швов, получивший 
название метода приведения. Определив такие коэффициенты, можно с высокой 
точностью, не уступающей точности измерения температур, рассчитывать температуры в свариваемом изделии и проектировать оптимальные режимы сварки. 
В данной работе описываются и анализируются, как результаты собственных исследований авторов, так и ряд работ отечественных и зарубежных исследователей. 
 
 
 
6 

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВОБОДНОЙ ДУГИ 
ПРЯМОЙ ПОЛЯРНОСТИ 
1.1. Характеристики ввода тепла в изделие 
Дуга прямой полярности с вольфрамовым электродом в среде инертных 
газов аргона или гелия применяется преимущественно для сварки высоколегированных сталей и титановых сплавов. При сварке обеспечивается высокое качество сварных швов. Односторонняя сварка без разделки кромок предусмотрена для толщин до 4 мм, для двухсторонней сварки – до 8 мм [1]. Способ также используется для сварки корневого слоя швов с разделкой кромок наиболее 
ответственных изделий из конструкционных сталей. В зарубежной литературе 
дугу прямой полярности принято обозначать EN, а обратной ЕР. 
По характеру протекания тока на торце вольфрамового электрода разделяют дуги с сосредоточенным и распределенным (диффузным) катодными пятнами [2] (рис. 1.1). Их вольтамперные характеристики (ВАХ) несколько отличаются между собой (рис. 1.2). В области малых токов ВАХ дуги падающая, 
наблюдается минимум напряжения, после чего с ростом тока происходит увеличение напряжения дуги. Напряжение дуги зависит от ее длины, тока, размеров и формы торца вольфрамового электрода. При токах свыше 50 А и длинах 
дуги, применяемых при сварке, оно находится в пределах 8–14 В. 
 
 
 
Рис. 1.1. Формы дуги с диффузным (слева) и сосредоточенным (справа) активными пятнами 
h – вылет электрода, lД – длина дуги 
 
 
 
Рис. 1.2. Вольтамперные характеристики дуги в аргоне [3]: 
кружки – дуга с диффузным активным пятном; крестики – с сосредоточенным 
7 

Наибольший интерес для сварочной техники представляют характеристики 
ввода энергии дуги в свариваемое изделие. Наиболее полно исследован тепловой баланс дуги постоянного тока с вольфрамовым электродом-катодом и медным водоохлаждаемым анодом в диапазоне токов 20…200 А [2]. В большинстве случаев тепловая мощность в катод (т. е. вольфрамовый электрод) в несколько раз меньше тепловой мощности в анод. Удельная тепловая мощность 
(на 1 А тока дуги) в катод уменьшается с ростом тока от 6 до 1 Вт/А, причем ее 
значение оказывается меньше при меньшем диаметре электрода, а также  
при использовании в качестве его материала торированного вольфрама вместо 
чистого (рис. 1.3). В работе [2] qУ называют удельным тепловым потоком, хотя 
под этим обычно понимают плотность теплового потока в Вт на единицу площади. Величина удельной тепловой мощности qУ в анод мало зависит от размеров электрода и несколько уменьшается с ростом тока дуги (примерно от 9  
до 6 Вт/А). При удлинении дуги qУ в анод увеличивается (рис. 1.4), что свидетельствует о существенной доли тепла, поступающего на анод от столба дуги. 
Аналогичный характер имеет и зависимость между qУ в катод и длиной дуги, 
однако объяснить ее той же причиной затруднительно, поскольку принято считать, что тепловая энергия от столба дуги в электрод не поступает. По другим 
данным qУ не зависит от длины дуги. При одном и том же диаметре электродакатода qУ в него уменьшается с увеличением угла заточки рабочего участка и 
при уменьшении его вылета. 
 
 
 
Рис. 1.3. Удельные эффективные мощности в вольфрамовый 
катод и медный анод дуги в аргоне: 
1 – вольфрам чистый d = 3,2 мм; 2 – вольфрам чистый d = 1,6 мм; 
3 – торированный вольфрам d = 3,2 мм [2] 
 
8 

 
 
Рис. 1.4. Эффективные мощности в медный анод дуги в аргоне 
в зависимости от тока и длины дуги: 
диаметр катода 1,0 мм (а); 1,5 мм (б) и 2,3 мм (в); 
LД = 0,5 мм (1), 2 мм (2) 3 мм (3) и 1 мм [2] 
 
Схема и ряд параметров процесса сварки вольфрамовым электродом с присадочной проволокой представлена на рис. 1.5. 
 
 
 
Рис. 1.5. Схема аргонодуговой сварки с присадочной проволокой и ее параметры 
 
При размещении части столба дуги в вольфрамовом насадке qУ в анод существенно увеличивается. Так при токе 55 А углубление в насадок на 2 мм не 
меняет qУ, составляющее qУ § 8,8 Вт/А, а при углублении на 8 мм достигает  
qУ § 10,5 Вт/А. Причиной этого, по-видимому, является увеличение доли защитного аргона, проникающего в столб дуги, который поглощает и переносит 
дополнительную мощность к изделию. 
9 

Некоторое влияние на распределение энергии в дуге оказывает и характер 
катодных процессов на электроде. У дуги с диффузным катодным пятном в катод поступает энергии несколько больше, чем в анод (по сравнению с дугой  
с сосредоточенным катодным пятном), хотя это различие мало и с ростом тока 
уменьшается. 
Данных по дуге с током больше 300 А крайне мало. По некоторым данным, qУ в катод уменьшается примерно с 4 до 2 Вт/А с ростом тока от 300  
до 800 А, причем его значение тем меньше, чем больше вылет электрода (диаметр электрода составлял 10 мм). 
Для маломощной дуги с током 1–10 А наибольшая мощность в анод имела 
место при минимальном диаметре электрода 0,16 мм. Удельная эффективная 
мощность снижается с увеличением тока. Для самого большого диаметра 
0,5 мм она 28/3,0 = 9,33 Вт/А и 85/10 = 8,5 Вт/А. Для самого малого d = 0,16 мм 
при 1 А 20 Вт/А и при 90 А 9 Вт/А. Объясняется это тем, что у маломощной дуги анодное напряжение выше катодного. Аналогичные данные получены калориметрией. В [2] приводится оценка удельной эффективной мощности для основных видов сварочной дуги (табл. 1.1). 
 
Таблица 1.1 
Приближенная оценка удельной эффективной мощности qУ, Вт/А [2] 
Электроды 
Дуга постоянного тока 
Дуга переменного 
тока 
EN 
EP 
Вольфрамовый 
2 
8 
5 
Изделие 
8 
7 
8 
 
Представляют интерес зависимости для эффективного КПД дуги, приведенные на рис. 1.6. Данные о напряжении дуг отсутствовали, но КПД дуги в гелии намного меньше при малых токах (10–40) А. Это можно объяснить более 
высоким напряжением в столбе дуги в гелии. Также это подтверждается и тем, 
что отношение КПД двух видов дуг увеличивается с ростом тока. Совместим 
данные о КПД дуги в гелии с данными о напряжении дуги. Причиной различия 
в КПД является то, что по роли вклада анодной области дуги в эффективную 
мощность вклад примерно одинаковый, но полное напряжение дуги в гелии 
намного выше. Это объясняют более высокой теплопроводностью гелия  
при температурах столба дуги. Сравнительные данные о свойствах газов приведены в табл. 1.2. 
 
10 

 
 
Рис. 1.6. Зависимости эффективного КПД ȘИ дуги с неплавящимся 
электродом в аргоне (1) и гелии (2) от тока дуги IД. 
Электрод ЭВИ Ø 2 мм; Į = 30°; LД = 1 мм [2] 
 
Таблица 1.2 
Сравнение физических свойств аргона и гелия при температуре 20 °С 
Характеристика 
Плотность, г/дм3 
Теплоемкость, 
Дж/(г °С) 
Ȝ, Вт/(см °С) 
Аргон 
1,7833 
0,52 
1,58ǜ10-4  
Гелий 
0,17847 
5,225 
13,88ǜ10-4 
 
Как видно из табл. 1.2 характеристики гелия примерно на порядок отличаются от характеристик аргона, что объясняет значительное различие напряжения столба дуг. 
По данным, приведенным в [2], были рассчитаны удельные эффективные 
мощности для слаботочной дуги в гелии (табл. 1.3). 
 
Таблица 1.3 
Оценка удельной эффективной мощности слаботочной дуги в гелии 
Величина 
I, A 
UД, В 
ȘИ 
qУ, Вт/А 
14 
19 
0,48 
9,03 
Значение 
9 
23 
0,44 
10,12  
22 
15 
0,50 
7,50 
 
Из расчетных данных видно, что с увеличением тока qУ значительно снижается. При этом происходит увеличение эффективной мощности дуги qИ. Эффективный КПД дуги повышается с ростом тока, что объясняется более интенсивным снижением напряжения дуги по сравнению с повышением эффективной мощности. 
При сварке дугой в гелии элементов толщиной į = 0,8 мм из стали Х23Ю5 [2] 
полное проплавление достигается уже при токе 9 А (VC = 6 м/ч), а при сварке в аргоне требуемый ток 46–50 А (табл. 1.4). 
11