ТЕОРИЯ сварочных процессов

Металлические дуги в защитных газах и вакууме

Me-дуга в защитных газах используется в основном для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей (в СО2, в смесях СО2 + Аг, СО2 + О2), а также алюминиевых сплавов и коррозион­но-стойких сталей (в Аг и в смеси Аг + Не) главным образом на постоянном токе обратной полярности при жесткой или полого­падающей внешней характеристике источников питания. Наи­большее применение ввиду своей экономичности получила меха­низированная сварка тонкой проволокой в среде углекислого газа. Оснащение установок для механизированной сварки импульсными приставками, используемыми для управляемого переноса металла, существенно расширяет область их применения.

Полная тепловая

мощность дуги = 100 % Эффективная тепловая I мощность дуги = 60 %

а

Рассеивание в окружающую Потери на среду =20% разбрызгива - Перенос с каплями ние =5% расплавленного металла = 25 %

Поглощение основ - Эффективная тепловая ного металла = 45 % мощность дуги+ = 75 %

Ї

6

т

Рис. 2.52. Примерная диаграмма баланса энергии: а - угольная дуга (/ = 1000 A, Ua = 40 В, по данным И. Д. Кулагина); б - открытая Me-дуга (I ~ 200 А, t/д = 25 В, по данным Н. Н. Рыкалина); в - Me-дуги под флю­сом (/ = 1000 А, t/д = 36 В, v — 24 м/ч, по данным И. В. Кирхо)

Me-дуга в вакууме (вакуумная дуга) горит обычно в парах ме­талла электрода и применяется главным образом для сварки на постоянном токе обратной полярности. Давление среды - от 1 Па и ниже. Безусловно, дуга в вакууме отличается по своим свойст­вам от дуги при атмосферном давлении. Плазму столба дуги уже нельзя рассматривать как термически равновесную, так как элек­тронная температура больше температуры газа Те > Гд. Термиче­ская ионизация в столбе дуги снижается, и ее роль в определенной степени компенсируется неупругими столкновениями.

Выделение энергии

На нагрев вылета ^

электрода проходящим током

222 Вт 5 %

На аноде за счет электронов из плазмы столба дуги 1927 Вт

На аноде за счет потока электронов с катода 972 Вт

В столбе дуги 683 Вт

На катоде 637 Вт

Общее выделение энергии

4441 Вт - 100%

Плавление и суммарные потери электрода 3121 Вт

Суммарные потери столба дуги и прикатодной области 683 Вт

Нагрев и плавление 14,2 % металла катода 637 Вт

Общее потребление энергии

4441 Вт - 100%

Рис. 2.53. Баланс энергии вакуумной дуги «сталь-сталь»:

/ = 170 А, ил - 26 В, v = 20 м/ч, d3 = 2,0 мм, /д = 20 мм, Е - 0,2 В/мм, ар = 40 г/(А-ч)

В вакуумной дуге увеличивается катодное падение потенциала до 18...20 В и уменьшается градиент напряжения в столбе дуги по сравнению с атмосферными дугами с 2...4 до 0,2...0,4 В/мм, т. е. примерно в 10 раз (в воздухе Е = 1,5...2,0 В/мм; в среде СО2 Е - 3...4 В/мм). Столб вакуумных дуг обычно длиннее, что позво­ляет применять более узкую разделку кромок стыка. Анодное па­дение потенциала меняется мало.

Баланс энергии в вакуумной дуге (рис. 2.53) показывает, что часть энергии на анод переносится непосредственно с катода. Вследствие интенсивного выделения теплоты на аноде коэффици­ент наплавки растет до 35.. .40 г/(А • ч). Это почти в 2 раза больше, чем при сварке под флюсом. Стоимость сварки в вакууме оказыва­ется в ряде случаев ниже, чем в контролируемой атмосфере инерт­ного газа, а качество шва - достаточно высоким.

В качестве неплавящихся электродов при дуговой сварке при­меняют главным образом вольфрамовые электроды, значительно реже - угольные (графитовые) и охлаждаемые медные электроды. Наибольшее распространение получила дуговая сварка вольфра­мовым электродом (W-электродом) в среде аргона, гелия и их смеси.

Вольфрам, нагреваясь от дуги до температур, близких к тем­пературе плавления, становится весьма восприимчивым к воздейст­вию активных газов. Поэтому в целях экономии электродов и для обеспечения стабилизации процесса обычно при сварке W-элект­родом используют инертные газы с содержанием кислорода не бо­лее 0,001 % объемной доли.