ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую, различают следующие способы сварки: дуговая, элек - трошлаковая, высокочастотная, диффузионная и плазменная.

2.1. Дуговая сварка

Дуговая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев осуще­ствляется электрической дугой.

2.1.1. Физические и электрические свойства сварочной дуги

Сварочная дуга - одна из форм электрического разряда в иони­зированной смеси газов, паров метала, компонентов электродных по­крытий, флюсов.

Для возбуждения электрической дуги необходимо ионизировать воздушный промежуток между электродами, только в этом случае он будет проводить электрический ток. В обычных условиях газы ней­тральны. Поэтому, ионизация газов может произойти только под влиянием внешнего воздействия: сильного нагрева, высокочастотного электромагнитного излучения, при бомбардировке атомов (молекул) быстрыми электронами. Для ионизации атома (молекулы) необходимо совершить работу ионизации, превышающую работу взаимодействия электрона с остальной частью атома (молекулы). Величина требуемой работы ионизации зависит от химической природы молекулы (табл. 2.1) и энергетического состояния вырываемого электрона.

Ионизировать воздушный промежуток и возбудить дугу можно коротким кратковременным замыканием электрической цепи «источ­ник питания - электрод - заготовка». Электродом 1 кратковременно касаются заготовки 2 (рис. 2.1, а). При этом между вершинами микро­неровностей электрода и заготовки протекает ток короткого замыка­ния. При достаточно большом токе короткого замыкания в промежут­ке между торцами электродов выделяется теплота, позволяющее разо­греть до расплавления выступы микронеровностей на торцах.

Таблица 2.1.

Работа ионизации, в Эв

Вершины микронеровностей расплавляются, образуя расплав­ленные мостики 3. При быстром разведении электродов (рис. 2.1, б) расплавленные мостики растягиваются, сужаются 4. В результате чего плотность тока в мостиках достигает величины, позволяющей испа­рить часть металла 5. промежуток между электродами ионизируется и возникает дуговой разряд. Если сохраняются факторы, поддержи­вающие ионизацию, то возникает устойчивая электрическая дуга. При нагреве торцов электродов электроны поверхностных слоев получают приращение кинетической энергии, позволяющие им перейти границу «твердое тело - газ» (термоэлектронная эмиссия) (рис. 2.1, в). Элек­троны 7 устремляются к аноду со скоростью до 2 км/с и сталкиваются с молекулами 8 паров металла и компонентов покрытия электрода. Этой скорости достаточно, чтобы при столкновении с нейтральными атомами произвести их ионизацию (рис. 2.1, г). Процесс ионизации приобретает, лавинообразны характер, поток заряженных частиц ори­ентируется электрическим полем, что обеспечивает стабильное горе­ние дуги.

В момент зажигания дуги воздушный промежуток между элек­тродами недостаточно прогрет, поэтому необходима увеличенная энергия для его ионизации (необходим повышенный электрический потенциал между электродами). На поверхности торца электрода 4, имеющего отрицательную полярность, имеется локализованное наи­более нагретое активное катодное пятно 3, которое проводит весь ток

дуги (рис. 2.2). При увеличении силы тока до 50 А площадь катодного пятна увеличивается, возрастают плотность тока и ионизация воздуш­ного промежутка. В результате, уменьшается электрическое сопро­тивление дугового промежутка и для поддержания необходимого тока требуется меньший электрический потенциал. Это объясняется тем, что скорость увеличения электропроводности дугового промежутка больше скорости возрастания тока. При силе тока более 50 А, катод­ное пятно займет всю площадь торца электрода, скорость увеличения электропроводности дугового промежутка примерно прямо пропор­циональна скорости возрастания тока и падение напряжения на длине дуги сохраняется практически постоянным.

На длине дуги Ьд можно выделить три характерных участка: Ка­тодную область Ьк, протяженностью ~ 1 мкм; анодную область Ьа, протяженностью 1.10 мкм и среднюю часть дуги Ьс, называемую столбом дуги. Вследствие того, что Ьк и Ьа << Ьс можно допустить, что Ьк « Ьа. напряженность электрического поля по длине дуги нерав­номерна, оно складывается из трех составляющих:

Ц = ик+Цс+Ца= ЛІдїд) = (Цк+иа)+ Е Ьд, где: ик, иа, ис - падения напряжения соответственно в катодной, анодной области и в столбе дуги; Ес - напряженность электрического поля в столбе дуги; Ьд - длина столба дуги.

Электрические свойства дуги описываются статической вольт - амперной характеристикой (рис. 2.3), показывающей зону устойчиво­го горения дуги (заштрихованные участки). Характеристика состоит из трех участков:

На участке I (при малых значениях сварочного тока) статическая ха­рактеристика дуги падающая. Низкая ионизация дугового промежутка приводит к крупнокапельному течению металла и необходимости ис­пользования большого электрического потенциала. Размеры капель примерно равны диаметру электрода. До 85% электродного материала переносится в виде крупных капель, остальные 15% электродного ма­териала осаждаются на свариваемых заготовках в виде брызг. В этих условиях большая часть капель и брызг успевает окислиться атомар­ным кислородом, что резко ухудшает качество сварного шва. Следо­вательно, качество сварного шва будет неудовлетворительным, а ра­бота на повышенных напряжениях может привести к поражению (вплоть до смертельного) сварщика.

На участке II (при средних значениях сварочного тока) суммарное анодное и катодное падение напряжения являются постоянными. Площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается пропорцио­нально току, а электропроводность изменяется мало. Сопротивление столба дуги обратно пропорционально току, а напряженность элек­трического поля и падение напряжения в столбе дуги от тока не зави­сят. Поэтому статическая характеристика жесткая, дуговой промежу­ток достаточно ионизирован, что приводит к мелкокапельному тече­нию металла, и к возможности использования низкого потенциала. Размеры капель равны 0,6. 0,8 диаметра электрода. До 95% элек­тродного материала переносится в виде капель, остальные 5% элек­тродного материала осаждаются на свариваемых заготовках в виде брызг. Капельный перенос осуществляется без замыкания каплями дугового пространства, большинство капель оказывается заключен­ными в оболочку из расплавленного шлака, образуемого при расплав­лении материала покрытия. Качество сварного шва значительно луч­ше, чем при крупнокапельном переносе. Напряжение дуги можно представить в виде: ид - а+р^

где: а - (ик+иа); в - Ес +Ьд ; а и Р - постоянные коэффициенты (для сварки низкоуглеродистых сталей а - 2 в; Р - 10 в/мм); Ес - напря­женность электрического поля в столбе дуги; Ьд - длина столба дуги.

На участке III (при высоких значениях сварочного тока) высокая энер­гия ионизированных частиц приводит к увеличению электропровод­ности дугового промежутка. Статическая характеристика возрастаю­щая, течение металла - струйное, сварочные напряжения опасны для жизни сварщика. При струйном переносе металла образуются мелкие капли, диаметром 0,3. 0,5 диаметра электрода, которые в виде непре­рывной цепочки переносятся на свариваемые заготовки. Струйный перенос металла приводит к уменьшению выгорания легирующих примесей и к повышению чистоты сварного шва.