ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Под электрической Дугой понимают стабильный мтюгоамперный разряд с низким катодным напряжением (до 10...20 В), горящий в ионизированном газе высокого давления (более 0,1-10" Па). Суммар­ное падение напряжения всех зон сварочной дуги находится в преде­лах 18...50 В; это определяет выходное напряжение сварочных источ­ников тока относительно небольшой величиной (до 80...90 В).

Сварочная дуга характеризуется концентрированным выделени­ем теплоты, что обеспечивает высокую эффективность нагрева и плав­ления металла. Диапазон мощностей сварочных дуг очень широк - от 50 Вт до 160 кВт. Различают прямое н косвенное действие дуги на металл. В первом случае свариваемый металл включен в сварочную цепь и является одним из электродов. Нагрев металла происходит в основном за счет выделения тепла в активных пятнах дуги, располо­женных на электродах (удельная мощность нагрева в этих пятнах до­стигает 10' Bt/cmj). Во втором случае основной металл не включен в сварочную пень, и нагрев его происходит за счет теплопередачи от газов столба дуги п ее излучения (здесь удельная мощность нагрева значительно ниже, что уменьшает эффективность нагрева). Это дуга косвенного действия - она горит между двумя электроламп.

В нормальном состоянии воздух, как смесь различных газов, не об­ладает электрической проводимостью, так как состоит из нейтраль­ных атомов или молекул. Поэтому дуговой разряд возможен лишь при условии наличия в дуговом промежутке частиц, способных перено­сить электрические заряды. Иными словами, необходима частичная ионизация газов дугового промежутка. В сварочной дуге газ поддер­живается в ионизированном состоянии принудительно и непрерывно благодаря приложенному к электродам электрическому потенциалу. Если рассматривать строение дуги постоянного тока (рис. 3.1 ),то можно выделить три основные зоны: прнкатодную зону, сголб дуги и прн - анодную зону. Дуга горит в частично ионизированном газе, состоящем из смеси нейтральных частиц, ионов и электронов (плазма дуги).

Плазма в дуге находится в виде цилиндрического или коничес­кого проводника, называемого столбом дуги. У обоих электродов

к і

имеются гірнкатодная и прпанодная области. отделяющие столб дуги (л' а. іектродов. Облает. чти невелики ао протяженности. На элект­родах' находятся катодные н анодные пятна, имеющие высокую тем­пературу нагрева. Катодное пятно является тем участком электрода, которое эмитирует (излучает) электроны. Происходит эго в силу процесса гермо - н аитоэлектропноп эмиссии, идущей с затратой энергии на выход электрона из поверхности катода, преодоления энергетического поверхностного барьера - раздела металл - газ. Элек­троны, разгоняясь до высоких скоростей в гірикатодной зоне, попа­дают в столб дуги.

Автоэлектронная эмиссия связана с созданием у поверхности катода электрического поля высокой напряженности. Оно понижает работу выхода электрона, как бы «вытягивая» его за предел металла катода. Напряжение в катодной области U падает до 10,,,20 В, а на­пряженность электрического поля в ней Е составляет до 10‘- В/см, Электроны способны в столбе дуги ионизировать нейтральные атомы за счет так называемого «электронного удара». Образующиеся при этом положительно заряженные ионы как бы «отсасываются» к ка году под действием электрического ноля, образованного падением напряжения в катодной зоне. Ударяясь о поверхность катода, ноны отдают ему энергию ионизации п кинетическую энергию, накоплен -

пуіо при разгоне нона в нрнкатодной. souc. Именно.)тот процесе при­водит к выделению іепдотьі на каїоде, ведуїцеіі к его нагреву п плав­ленню.

Таким образом, в ирнкатолпоіі области текут навстречу друг дру­гу два тока: электронный, в направлении от катода к столбу душ, и ионньїіі, направленный от столба к катоду. На катоде же идут дна процесса: охлаждение да счет омнеспн длектронов с катода (с погло­щением анергии) н паї рев да счет бомбардировки катода положи­тельно наряженными ионами. В столбе дуги также идут два процесса: обрадованно частиц :за счет ионизации и их потеря, вызванная их рекомбинацией п переходом на катод п анод. Причины ионизации газа в дуговом разряде. могут быть различны.

Источником энергии, затрачиваемой на ионизацию, служит элек­трическое поле, напряженность £ которого в столбе дуги невелика и составляет 10,,,.50 Вт/с. м. Энергия поля в наибольшей мере воспри­нимается самыми легкими частицами - электронами, они разгоня­ются до. энергии ионизации н производят ее «электронным ударом». Если при этом энергии электрона недостаточно для удаления элект­рона из нейтрального атома, то может происходить либо его возбуж­дение. сопровождаемое выделением энергии в виде кванта светового излучения, либо передача атому части его энергии, что ведет к повы­шению температуры плазмы, способствуя процессу термической иони­зации. Последнее происходит при высоких температурах за счет не - упругпх столкновений частиц, имеющих высокую кинетическую энергию, В результате процессов ионизации в плазме в целом нахо­дится примерно одинаковое количество разноименных электричес­ких частиц, поэтому плазма электрически нейтральна. Плазма элект - ронроводна. за счет дрейфа электронов в столбе душ, они по сравнению с ионами более подвижны, поэтому величина электронного тока прак­тически равна сварочному,

В области анода электроны, поступившие из столба дуги к анодно­му пятну, наряду с работой выхода, накапливают достаточную кине­тическую энергию в прианодной зоне, которая при ударе потока элек­трона о поверхность анода переходит в тепловую и плавит металл анода. При падении напряжения V до 4...6 В напряженность электри­ческого поля в области анода £ составит порядка 101' В/см,

Электрическая проводимость плазмы зависит от введения в нее различных веществ (например, паров металла, испаряемых при плав­лении электродов), так как от этого зависит ход процесса ионизации. Сам процесс определяется понятием потенциала иоипзашш, кото­рый представляет собой величину работы (выраженной в здектрии - вольтах), необходимую для удаления электрона из нейтрального ато­ма, Введение тем пли иным путем (например, через покрытие) таких элементов как калий, барий, кальции приводит к понижению потен­циала ионизации, облегчению зажигания дуги и стабилизирует ее горение.

С понижением или увеличением электрической проводимости плазмы связана ее температура; известно, что увеличение плотно­сти тока в дуге увеличивает температуру плазмы. Эксперименталь­ные исследования показывают, что температура дуг с плавящимся элек­тродом находится в пределах 6000...8000 °С, неплавящимся (вольфрамовым) электродом 10000... 15000 °С, сжатой дуги

20000.. .30000 °С.

Электрическая энергия в дуге преобразуется в теплоту в трех ее зонах: катодной, анодной и столбе дуги. Это количество различно в разных зонах и зависит от потенциала ионизации, соотношения ион­ного и электронного тока, т. е. от состава покрытия, флюса, защитного газа. По различным данным, теплота, выделяемая на электроде-като­де, составляет 10,„15% от мощности дуги. Теплота, выделяемая на электроде-аноде, составляет примерно 35%, а в столбе дуги - 50.„55% от общей мощности дуги. Таким образом, в зависимости от рода тока и его полярности на изделии и электроде может выделяться различ­ное количество теплоты. Количество теплоты, выделенное на катоде, зависит в основном от потенциала ионизации дугового газа, поэтому разница в тепловыделении грубо определяется способом дуговой свар­ки, В реальных условиях сварки при прямой полярности (анод на изделии) глубина проплавления оказывается меньше, чем на обрат­ной полярности (катод на изделии). Это объясняется тем, что актив­ное анодное пятно (площадь, где происходит интенсивное выделение теплоты) занимает большую площадь, чем катодное; это определяет форму дуги (рис. 3.2) и ширину ванны и шва на прямой полярности.

Режим горения дуги определяют два параметра: сила тока и на­пряжение на дуге. Между напряжением на дуге и ее длиной суще­ствует практически линейная зависимость (рис. 3,3)

U, = а + /,,

где Е - напряженность электрического поля в столбе дуги.

Между током и напряжением в дуге при / “const существует связь; в ее графическом изображении в координатах ток - напряжение она пред­ставляет кривую. На графике (рис, 3.4) эта кривая, названная статичес­кой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги, изображенная в об-

не

НзЬоЕК

Рис, 3,2, Форма горения дуги в нанисимостн от полярности: я - на прямой; б - на обратной

Щем виде, имеет ниспадающую ветвь, ветвь, близкую к горизонтальной, и возрастающую ветвь.

Однако для конкретных случаев экспериментально удается полу­чить лишь часть такой кривой. На рис, 3,4 показаны 3 участка, I - уча­сток совмещенных кривых внешней падающей ВАХ источника и ста­тической характеристики дуги обычен для ручной сварки {U =12,„25 В / =5,„25 А/мм'), II - для автоматической сварки под флюсом (0 =25,„45 В / “ 40...125 А/мм2), III - для сварки в защитных газах (С/ =25,,,45 В / = 100...350 А/мм2).

Изложенные закономерности характерны для дуг как постоянного, так и переменного тока, однако последние имеют свою специфику (рис, 3,5), Синусоидальное изменение тока при снижении напряжения

III

Рис, З А, ( іаіичігкмс характерне піки думі н ішсішшс чирик криє піки исіочнпка іініанмя (обобщающая < хеча):

я, б, « - статические харакіерікчіїкн. гоні неї с mvioitinc дуі ам с д. іипамп /

1.J, З - на, апоппіе іінеіищіе чарак ге рис і пин исіочнпка ішіання:

І. 7 жесткая н іміірасіаіпіцая чаракісрисінкн не (очника нпгапня. точка Д - неї і аби. паює, а іочкн /і, /і, / еіаби. іьнос іорспнє дуі ч

менее напряжения горения луги приводит к перерыву ее горения. Не­смотря на кратковременность отого перерыва, плазма успевает остыть на несколько тысяч градусов, что требует более высокого напряжения по­вторного зажигания, а это иедет к перерывам горения дуги т, п для ста­билизации процесса сварки на переменном токе требуются специальные меры.

Скорость плавления электрода дугой (а значит п скорость его по­дачи в зону горения дуги) пропорциональна силе сварочного тока. Количество расплавляемого в единицу времени металла связано с величиной сварочного тока зависимостью

где а - коэффициент расплавления электрода, определяемый опыт­ным путем:

('п

«р =“ Іі-Л-ч|.

Рис, 3,5, Кривые пдмеиепня юка и напряжения на дуге мри сварке на переменном ток(' нри па. іичми в сварочной иепіг

а - ю. іько акіиитно еоироїшиеиия; 6 — нндуктиішогосопроініиешія;

Р напряжение ходоеіого хода; І ’ напряжение горения avi и; г -- нродо;іжиіе. чьпоеи. перерыва юреііия дуги

Дуга, как гибкий проводник, легко изменяет свое положение маг­нитным полем. Собственное электромагнитное поле дуги может от­клонять ее столб вблизи больших масс металла - это так называемое магнитное дутье.

В ряде случаев это явление затрудняет сварку: приходится при­менять различного рода приемы, ослабляющие магнитное дутье (вы­полнение шва обратноступенчатым способом, стабилизация дуги пу­тем наложения на нее постоянного электромагнитного поля с помощью соленоида и т. д.).

(І!)