Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Производство сварочной дуги

Определение сварочной дуги, ее строение, условия зажигания и горения

Электрической сварочной дугой называют устойчивый элек­трический разряд в сильно ионизированной смеси газов и паров материалов, происходящий при давлении, близком к атмосфер­ному, используемом при сварке * и характеризуемый высокой плотностью тока и высокой температурой.

Температура в столбе сварочной дуги достигает 5 ООО-12000°С и зависит от плотности тока, состава газовой среды дуги, матери­ала и диаметра электрода. А потому сварочная дуга является мощ­ным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепло­вую энергию.

В столбе сварочной дуги, протекают следующие процессы:

1. Столб дуги заполнен заряженными частицами — элект­ронами и ионами. В нем присутствуют также и нейтраль­ные частицы — атомы и даже молекулы паров веществ, из которых сделаны электроды. Под действием электроди­намических сил частицы перемещаются. Скорость их пе­ремещения различна. Быстрее всего перемещается элект­роны. Они легко разгоняются и, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию. Столкновения элект­ронов с атомами могут быть упругими и неупругими. При упругих столкновениях атомы начинают двигаться быст­рее — увеличивается их кинетическая энергия. В резуль­тате повышается температура плазмы дуги.

2. Электрон, который в электрическом поле приобрел доста­точно большую энергию, является источником неупругих столкновений. Столкнувшись с атомом, он возбуждает его, а когда удар достаточно силен, то и выбивает из атома его собственные электроны.

Энергию, которая должна быть сообщена электрону для ионизации какого-либо атома, выражают в электронвольтах (эВ) и называют потенциалом ионизации. Величина потенциала иони­зации зависит от строения атома* Чем меньше номер группы и больше номер периода в таблице элементов Менделеева, тем мень­ше энергии необходимо затратить для ионизации. Наименьшим потенциалом ионизации (3,9 эВ) обладает атом цезия, поскольку он самый тяжелый из всех щелочных металлов. Самый легкий из инертных газов — элемент последней, нулевой группы^— ге­лий обладает наивысшим потенциалом ионизации (24,5 эВ).

Энергия, расходуемая на диссоциацию (разделение) различных молекул, также различна. Так, например, для диссоциации моле­кулы водорода необходимо затратить 4,48 эВ, фтора — 1,6 эВ, а уг­лекислого газа — 9,7 эВ. Эти величины имеют для сварщиков осо­бое значение. При разработке электродных покрытии, флюсов и проволок приходится учитывать, молекулы каких веществ диссо­циируют раньше, а каких — позже, какие элементы ионизируются легче, а какие — труднее, и сколько для этого потребуется энергии.

В зависимости от числа электродов и способов включения электродов и свариваемой детали в электрическую цепь раз­личают следующие виды сварочных дуг (рис. 46):

1. Прямого действия, когда дуга горит между электродом и изделием.

2. Косвенного действия, когда дуга горит между двумя элек­тродами, а свариваемое изделие не включено в электриче­скую цепь.

3. Трехфазную дугу, возбуждаемую между двумя электрода­ми, а также между каждым электродом и основным метал­лом.

По роду тока различают дуги, питаемые переменным и постоянным током. При использовании постоянного тока разли­чают сварку на прямой и обратной полярности.

При прямой полярности электрод подключается к от­рицательному полюсу и служит катодом, а изделие — к положи­тельному полюсу и служит анодом.

При обратной полярности электрод подключается к по­ложительному полюсу и служит анодом, а изделие — к отрица­тельному и служит катодом.

В зависимости от материала электрода различают дуги между негглавящимися электродами (угольными, вольфрамо­выми) и плавящимися металлическими электродами.

Сварочная дуга обладает рядом физических и технологиче­ских свойств, от которых зависит эффективность использования дуги при сварке.

К физическим свойствам относятся электрические, элект­ромагнитные, кинетические, температурные, световые.

К технологическим свойствам относятся мощность дуги, пространственная устойчивость, саморегулирование.

Электрическим разрядом в газе называют электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней

свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действи­ем приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами.

Сварка дугой переменного тока имеет некоторые особеннос­ти. Вследствие того, что мгновенные значения тока переходят через нуль 100 раз в 1 с, меняет свое положение катподкое пятно, являющееся источником электронов, ионизация дугового проме - ' жутка менее стабильна и сварочная дуга менее устойчива по срав­нению с дугой постоянного тока.

Общепринятой мерой повышения стабилизации сварочной дуги переменного тока является включение в сварочную цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления. Последо­вательное включение в сварочную цепь катушек со стальным сер­дечником (дросселей) позволяет вести сварочные работы метал­лическими электродами на переменном токе при напряжении сварочного трансформатора 60-65 В.

Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называют ионизацией. При обычных температурах ионизацию можно вы­звать, если уже имеющимся в газе электронам и ионам сообщить при помощи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вы­звать световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, а также излучением радиоактивных веществ.

В обычных условиях воздух, как и все газы, обладает весьма слабой электропроводностью. Это объясняется малой концентра­цией свободных электронов и ионов в газах. Поэтому, чтобы вы­звать в газе мощный электрический ток, т. е. образовать электри­ческую дугу, необходимо ионизировать воздушный промежуток (или другую газообразную среду) между электродами.

Ионизацию можно произвести, если приложить к электродам достаточно высокое напряжение, тогда имеющиеся в газе свобод­ные электроны и ионы будут разгоняться электрическим полем и, получив энергию, смогут разбить нейтральные молекулы на ионы.

Однако при сварке, исходя из правил техники безопасности, нельзя пользоваться высокими напряжениями. Поэтому приме­няют другой способ. Так как в металлах имеется большая кон­центрация свободных электронов, то надо извлечь эти электроны из Объема металла в газовую среду и затем использовать для иони­зации молекул газа.

Существует несколько способов извлечения электронов из металлов. Из них для процесса сварки имеют значения два: термоэлектронная и авто электронная эмиссии.

Во время термоэлектронной эмиссии происходит «испаре­ние» свободных электронов с поверхности металла благодаря вы­сокой температуре. Чем выше температура металла, тем большее число свободных электронов приобретают энергии, достаточные для преодоления « потенциального барьера» в поверхностном слое и выхода из металла.

Во время автоэлектронной эмиссии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля, которое несколько изменяет потенциальный барьер у по­верхности металла и облегчает выход тех электронов, которые внутри металла имеют достаточно большую энергию и могут пре­одолеть этот барьер.

Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной.

Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической. При вы­соких температурах значительная часть молекул газа обладает достаточной энергией для того, чтобы при столкновениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры увеличивается общее число столкно­вений между молекулами газа. При очень высоких температурах в процессе ионизации начинает также играть заметную роль из­лучение газа и раскаленных электродов.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью иони­зации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объе­ме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень Ионизации будет равна единице.

При температуре 6000-8000°С такие вещества, как калий, натрий, кальций, обладают достаточно высокой степенью иониза­ции. Пары этих элементов, находясь В дуговом промежутке, обеспе­чивают легкость возбуждения и устойчивое горение дуги. Это свой-

ство щелочных металлов объясняется тем, что атомы этих метал­лов обладают малым потенциалом ионизации. Поэтому для повы­шения устойчивости горения электрической дуги эти вещества вво­дят в зону дуги в виде электродных покрытий или флюсов.

Электрическая дуга постоянного тока возбуждается при сопри­косновении торца электрода и кромок свариваемой детали. Контакт в начальный момент осуществляется между микровыступами по­верхностей электрода и свариваемой детали. Высокая плотность тока способствует мгновенному расплавлению этих выступов и образо­ванию пленки жидкого металла, которая замыкает сварочную цепь на участке «электрод - свариваемая деталь». При последующем от­воде электрода от поверхности детали на 2-4 мм пленка жидкого г металла растягивается, а сечение уменьшается, вследствие чего воз­растает плотность тока и повышается температура металла.

Эти явления приводят к разрыву пленки и испарению вски­певшего металла. Возникшие при высокой температуре интенсив­ные термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии обеспечивают ионизацию паров металла и газов межэлектродного промежутка. В образовавшейся ионизированной среде возникает электричес­кая сварочная дуга. Процесс возбуждения дуги кратковременен и осуществляется в течение долей секунды.

В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги.

Катодная зона начинается с раскаленного торца катода, на котором расположено так называемое катодное пятно. Отсюда вы­летает поток свободных электронов, осуществляющих ионизацию дугового промежутка. Плотность тока на катодном пятне дости­гает 60-70 А/мм2 к катоду устремляются потоки положитель­ных ионов, которые бомбардируют и отдают ему свою энергию, вызывая нагрев до температуры 2500-3000°С.

Анодная зона расположена у торца положительного электро­да, в котором выделяется небольшой участок, называемый анодным пятном. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, разогревая егО до температуры 2500-4000“С.

Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зо­нами, состоит из раскаленных ионизированных частиц. Темпе­ратура в этой зоне достигает 6000-7000‘С в зависимости от плот­ности сварочного тока.

Для возбуждения дуги в начальный момент необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации недостаточно высокая и необходимо большее напряжение, способное сообщить свободным электронам достаточно большую энергию, чтобы при их столкнове­нии с атомами газового промежутка могла произойти ионизация.

Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение тока падает до значения, которое необходимо для устойчивого горе­ния дути. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи называют статической волът-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги имеет три области: падающую, жесткую и возрастающую.

В первой (до 100 А) с увеличением тока напряжение значи­тельно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повы­шении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги.

Во второй области (100-1000А) при увеличении тока напряже­ние сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и пло­щади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорциональ­но току. Область характеризуется постоянством плотности тока.

Применение различных стабилизирующих элементов (калий, натрий, кальций и др.)» вводимых в зону дуги в виде электродных покрытий или в виде флюсов, относится к этим мерам.