СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

СВАРОЧНАЯ ДУГА

Продолжительный электрический разряд, который наб­людается при атмосферном давлении в газовой среде между двумя электродами, называется сварочной дугой. Если она образуется между электродами, роль одного из которых игра­ет металлический или угольный стержень (электрод), а дру­гого — свариваемый металл, тогда такая дуга называется дугой прямого действия. В том случае, если два электрода находятся под некоторым углом относительно друг друга, она называется дугой косвенного действия. Первая применяется в большинстве наиболее распространенных видов сварки, а вторая, будучи менее удобной,— при некоторых специаль­ных видах сварки, например при атомно-водородной. При со­четании обоих видов дуги образуется комбинированная дуга.

Схематическое изображение дуги прямого и косвенного действия показано на рис. 54.

Дуга прямого действия представлена столбом с основа­нием в углублении, которое возникает на поверхности сва­рочной ванны. Форма столба дуги бывает цилиндрической или чуть конической. Его верхняя часть контактирует с рас­каленным концом электрода. Эта зона называется катодным пятном. Противоположным ему является анодное пятно, об­разованное основанием столба в зоне его соприкосновения со свариваемым металлом (напомним, что катод заряжен по­ложительно, а анод — отрицательно). Если значение свароч-
ного тока не превышает средних показателей, т. е. составляет примерно 200-300 А, то диаметр катодного пятна приблизи­тельно в 1,5-2 раза меньше анодного.

Столб дуги образует вещество, состоящее из раскален­ных и сильно ионизированных газов, которое называется плазмой. В нем сконцентрировано основное количество энергии сварочной дуги, в связи с чем его осевая часть яв­ляется зоной самой высокой температуры (5500-7800° С),
и она тем выше, чем больше плотность тока в сварочной дуге. Столб дуги окружает ореол пламени (факел дуги). Его образу­ют пары и газы, температура которых более низкая.

Для возбуждения и горения сварочной дуги необходи­мы определенные условия. Если рассматривать газы и пары в стандартных условиях, то они оказываются электрически нейтральными и практически не проводят электрический ток. Прохождение последнего через газовую среду возмож­но только в том случае, если в ней появляются электрически заряженные частицы — электроны, положительные и отрица­тельные ионы, которые становятся переносчиками электри­ческого тока. (Попутно заметим, что электрон представляет собой материальную частицу, масса которой в 1840 раз мень­ше массы самого легкого атома — атома водорода, которая несет один отрицательный электрический заряд. Ион — это атом или молекула вещества, может быть либо только поло­жительным, либо только отрицательным.) Такой газ получил название ионизированного. От количества заряженных час­тиц зависит степень ионизации газа: чем их больше, тем выше степень ионизации, следовательно, и электропровод­ность газа тоже возрастает.

Процесс ионизации газа наглядно показан на рис. 55, на котором ясно видно, что в результате бомбардировки элек­трически нейтральных атомов газа (А, А') быстрыми электро­нами (Э1, Э2), испускаемыми катодом (это явление называет­ся эмиссией электронов), первые теряют один или несколько электронов. При этом их скорость уменьшается, но они про­должают движение к аноду под воздействием его электриче­ского поля. А атомы вместе с электронами, утратившими часть электричества, превращаются в положительно заряженные ионы (+И), которые начинают перемещаться к катоду. При столкновении с ним положительные ионы выбивают из него электроны и частично захватывают их, становясь нейтраль­ными атомами, а остальные электроны движутся к аноду. От­рицательно заряженные ионы (-И) появляются тогда, когда атомы захватывают свободные электроны. Поскольку не все элементы способны на это, отрицательных ионов в ионизиро­ванном газе, как правило, меньше, чем положительных.

Описанный процесс, в ходе которого в среде газа или пара образуются положительно и отрицательно заряженные частицы, называется объемной ионизацией. Кстати, она воз­можна не только от соударения частиц, ее причиной может быть энергия светового излучения. Кроме того, ионизация газа или пара происходит при их нагревании до температуры 2000° С (термическая ионизация), когда повышается скорость движения частиц и возрастает число их столкновений.

В сварочной дуге тоже наблюдается процесс образова­ния электрически нейтральных атомов из отрицательно или положительно заряженных частиц, что называется рекомби­нацией, а отношение числа заряженных частиц в каком-либо объеме газа к общему их количеству до начала ионизации — степенью ионизации. Образование и распад заряженных час­тиц в газе при данной температуре сбалансированы, т. е. сте­пень ионизации нагретого газа сохраняется постоянной. При степени ионизации, равной единице, каждая частица в дан­ном объеме газа несет тот или иной заряд. Чем ниже темпе­ратура, при которой это происходит, тем с большей легкостью в газовой среде образуется дуговой разряд (сварочная дуга).

Степень термической ионизации у различных элементов разная. Легче всего она достигается у калия, натрия и каль­ция, в связи с чем их наличие в столбе сварочной дуги спо­собствует ее возбуждению и обеспечивает устойчивость ее горения. Поэтому данные вещества всегда добавляются в электродные покрытия.

Кроме того, все элементы обладают разным потенциалом ионизации, т. е. тем количеством энергии, которое требуется затратить, чтобы выбить один электрон из оболочки атома того или иного элемента. Например, потенциал калия, натрия и кальция ниже (приблизительно в 3,4, 2,8 и 2,4 раза соответ­ственно), чем у азота или кислорода. Это дополнительно объ­ясняет их положительное влияние на горение сварочной дуги.

Ионизация газа и образование в нем дугового разряда представляют собой сложные физические процессы, воз­никновение и протекание которых определяется различными факторами. В частности, для того чтобы катод стал испускать свободные электроны, должны осуществляться следующие процессы:

— термоэлектронная эмиссия, развившаяся под воздей­ствием высокой температуры катода и позволившая электро­нам покидать его поверхность:

— автоэлектронная эмиссия, являющаяся следствием воздействия электрического поля, которое отрывает свобод­ные электроны от катода;

— эмиссия в результате ударов положительно заряжен­ных ионов по поверхности катода;

— фотоэлектронная эмиссия, являющаяся итогом воз­действия световых лучей дугового разряда на катод.

Таким образом, источники пучков заряженных частиц, благодаря которым поддерживается устойчивое горение сва­рочной дуги,— это эмиссия электронов катодом и объемная ионизация газов.

Теперь необходимо понять, как именно образуется дуга. Весь процесс выглядит следующим образом (рис. 56):

1) при прикосновении концом электрода к основному ме­таллу в сварочной цепи возникает короткое замыкание;

2) электрический ток, отличающийся высокой плотно­стью в зонах контакта основного металла с электродом (из-за неровности поверхности электрода контакт происходит одно­временно в нескольких точках), расплавляет последний, в ре­зультате чего появляется тонкая пленка жидкого металла;

3) при некотором отведении электрода из жидкой про­слойки металла вытягивается шейка, в которой плотность и температура металла еще более увеличиваются;

4) вследствие испарения металла шейка рвется, а в соз­давшемся ионизированном облаке газов и паров, образо­вавшемся между электродом и металлом, загорается свароч­ная дуга.

В дальнейшем авто - и термоэлектронная эмиссия под­держивают устойчивое горение сварочной дуги при соответ­ствующем токе и напряжении в сварочной цепи.

Напряжение сварочной дуги — это напряжение между электродом и металлом. Его величина определяется длиной дуги. При этом прослеживается такая закономерность: чем короче дуга, тем ниже напряжение, несмотря на то что ток может не меняться. Устойчивое горение сварочной дуги при использовании металлического электрода обеспечивает­ся напряжением 18-28 В, а при применении угольного или графитового электрода необходимое напряжение возраста­ет до 30-35 В. Напряжение, при котором возникает дуговой разряд, должно быть выше чем то, при котором сварочная дуга поддерживается на соответствующем уровне. Это обус­ловлено тем, что на первой стадии температура воздушного промежутка недостаточна для того, чтобы сообщить электро­нам такую скорость, при которой может начаться ионизация атомов газа.

Сварочная дуга бывает:

— устойчивой. Это означает, что она горит равномерно, а произвольные обрывы дуги, для устранения которых необ­ходимо повторное зажигание, отсутствуют;

— неустойчивой. Наличие того, чего нет при устойчивой дуге, изменяет ее характер с точностью до наоборот.

Устойчивость дуги в основном определяется следующими факторами:

— род электрического тока. Он может быть постоянным и переменным;

— состав электродного покрытия. Повысить устойчи­вость горения сварочной дуги можно с помощью введения в покрытие и флюсы элементов с низким потенциалом иони­зации, о которых говорилось ранее;

— полярность. При постоянном токе она бывает прямой и обратной. В первом случае минус источника тока подсое­диняется к электроду, а во втором — к изделию. При работе
угольным электродом предпочтительнее ток прямой поляр­ности, поскольку при нем дуга легко загорается и отличается устойчивостью. Ток обратной полярности востребован при сварке тонких металлических листов и в других случаях, когда требуется уменьшить выделение тепла;

— длина дуги. Она равна расстоянию от торца электрода до поверхности сварочной ванны. Для стального электрода длина дуги составляет не более 2-4 мм. В этом случае она на­зывается короткой. Для нее характернытакие качества, как устойчивое горение и оптимальное протекание сварочного процесса.

Дуга длиной 4-6 мм считается нормальной, более 6 мм — длинной. В последнем случае отмечается ряд нега­тивных явлений: во-первых, плавление происходит неравно­мерно, дуга неустойчивая; во-вторых, капли металла, капаю­щие с электрода, могут подвергаться окислению кислородом и насыщению азотом из атмосферного воздуха; в-третьих, на­плавленный металл приобретает пористость, а шов — неров­ную поверхность; в-четвертых, падает производительность, возрастает разбрызгивание жидкого металла, возникают непроверенные участки.

Сварочную дугу можно классифицировать не только по принципу действия (прямого, косвенного и комбинирован­ного), длине, роду тока, полярности постоянного тока или виду электрода, но и по таким признакам, как:

—длительность горения. Различаются стационарная и импульсная дуга;

— степень сжатия. Дуга может быть свободной и сжатой;

— характер среды, в которой происходит сварка. Дуга бывает открытой (горение происходит в атмосферном возду­хе) или закрытой (если она возникает под флюсом либо в сре­де защитных газов);

— тип статической вольт-амперной характеристики (так называется зависимость падения напряжения в сварочной дуге от силы тока в условиях постоянной длины дуги).

По этому параметру выделяются дуги с жесткой (падение напряжение не зависит от силы тока), падающей (увеличе­ние силы тока приводит к уменьшению падения напряжения) и возрастающей (напряжение возрастает при увеличении тока)характеристикой.

При сварке вокруг дуги и в металле изделия создаются магнитные поля. Если они несимметричны, тогда под их воз­действием дуга отклоняется, затрудняя процесс. Действие магнитных полей, в результате которого дуговой разряд от­клоняется, называется магнитным дутьем.

Сила магнитного поля пропорциональна квадрату тока, что объясняет такое явление: магнитное дутье усиливается, если вести сварку с применением постоянного тока силой более 300-400 А, в то время как сварка переменным током протекает с менее выраженным магнитным дутьем. Имеют значение и другие факторы, в частности использование флю­са, тонко - и толстопокрытых электродов.

Величина магнитного дутья зависит и от других условий, среди которых следующие:

— нахождение ферримагнитных масс в непосредствен­ной близости от зоны сварки;

— тип сварного соединения;

— наличие зазора между кромками;

— точка подведения электрического тока к изделию (рис. 57) и др.

Поскольку магнитное дутье может создавать трудности при выполнении сварки, для нейтрализации или уменьшения влияния предпринимают соответствующие меры, в частности:

— ведут сварку короткой дугой;

— подводят сварочный ток как можно ближе к дуге;

— варят, наклоняя электрод в сторону действия магнит­ного дутья, и др.

В процессе сварки плавящийся электродный металл по­степенно перетекает в сварочную ванну. Это происходит сле­дующим образом:

1) под воздействием высокой температуры сварочной дуги электродный металл расплавляется, например электро­ду длиной 450 мм для этого достаточно 1,5-2 минут;

2) в результате действия сил поверхностного натяжения и гравитации жидкий металл электрода принимает форму капли, в основании которой образуется тонкая шейка;

Рис. 57. Отклонение сварочной дуги вследствие магнитного дутья в зависимости от места подведения тока: а — нормальное положение дуги; б — отклонение дуги в левую сторону; в — отклонение дуги в правую сторону

3) шейка капли постепенно утончается, что сопрово­ждается увеличением плотности тока в шейке, и удлиняется вплоть до момента касания поверхности основного металла;

4) касание предшествует короткому замыканию, резкому увеличению тока, разрыву шейки капли и возбуждению дуги
между электродом и каплей. В результате давления паров и га­зов она быстро погружается в расплавленный металл свароч­ной ванны, разбрызгивая некоторую часть материала, после чего весь процесс повторяется с начала (при ручной дуговой сварке каплями переносятся 95% металла электрода, а 5% разбрызгиваются). За 1 секунду с электрода на изделие пере­носится 20-50 капель приблизительно одинакового размера.

Плавление и перенос металла в сварочной дуге показа­ны на рис. 58.

Рис. 58. Капельный перенос электродного металла на изделие: а — образование слоя расплавленного металла на конце электрода; б — формирование капли; в — касание капли поверхности сварочной ванны; г — возбуждение новой дуги

Время, в течение которого происходят горение дуги и ко­роткое замыкание, составляет приблизительно 0,02-0,05 се­кунды. Форма капель и их размер зависят от ряда факторов, к которым относятся:

— сила тяжести и сила поверхностного натяжения. При наложении нижнего шва сила тяжести помогает отрыву капли и переносу электродного металла в сварной шов, а при вы­полнении потолочного шва, напротив, препятствует;

— состав и толщина электродного покрытия, которое снижает поверхностное натяжение примерно на 20-30%;

— величина сварочного тока;

— диаметр электрода;

— длина дуги и т. д.

При расплавлении покрытия электрода выделяется зна­чительное количество газов, благодаря которым давление в зоне дуги повышается, что приводит к размельчению капель расплавленного металла. С повышением сварочного тока капли уменьшаются в размере. Перенос металла электрода в сварочную ванну крупными каплями наблюдается при свар­ке на малых токах с применением тонкопокрытых электродов. При увеличении плотности сварочного тока и применении толстопокрытых электродов перенос электродного металла в сварочную ванну напоминает поток мельчайших капель, которые следуют друг за другом. Поэтому данный процесс на­зывается струйным переносом металла (рис. 59).

При этом снижается выгорание легирующих веществ в сварочной проволоке, а чистота металла шва возрастает. Это основное преимущество струйного переноса электрод­ного металла по сравнению с капельным. Но при использо­вании штучных электродов это невозможно, поскольку плот­ность тока на электроде не превышает 10-20 А/мм2.

Количество металла электрода, которое может быть рас­плавлено за конкретный промежуток времени, вычисляют по формуле:

Gp = Кр х | х t,

где Gp — количество расплавленного электродного ме­талла;

Кр — коэффициент расплавления;

Рис. 59. Струйный процесс переноса электродного металла на изделие

I — величина сварочного тока;

t — время горения сварочной дуги.

Между представленными величинами существует прямо пропорциональная зависимость: чем выше величина тока, чем дольше горит сварочная дуга, тем больше электродного металла будет расплавлено и перенесено. Коэффициент рас­плавления — это количество расплавленного электродного металла в граммах за 1 час, приходящееся на 1 А сварочно­го тока. Для стальных электродов этот показатель составляет 8-14 г/А-ч и определяется следующими факторами:

— материал, из которого изготовлен электрод;

— состав электродного покрытия;

— род и полярность тока.

При сварке неизбежны потери жидкого металла, кото­рые возникают в результате разбрызгивания, испарения
и окисления кислородом расплавленного металла. Следова­тельно, в наплавленный металл сварного шва переносится лишь часть металла электрода. Чтобы вычислить количество наплавленного металла, в формуле следует заменить коэф­фициент расплавления коэффициентом наплавки (Кн), кото­рый меньше первого на величину потерь металла электрода, которые составляют 1-3 г/А-ч.

Представленные коэффициенты необходимы для опре­деления расхода электродов, а также для регламентации сва­рочных работ.