ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ

Электрическая дуговая сварка на постоянном токе

Источники ПОСТОЯ1ПЮГО тока. Для дуговой сварки на постоян­ном токе применяют генераторы или выпрямители. Генератор по­стоянного тока превращает механическую энергию в электричес­кую. Во время работы генератор как бы отсасывает электроны от положительного полюса (анода «+») и перемещает их к отрица­тельному полюсу (катоду «-»). Недостаток электронов на аноде и их избыток на катоде создают напряжение или разность потенциа­лов. Для получения постоянного тока широко применяют и свароч­ные выпрямители, действие которых основано на способности не­которых полупроводников пропускать переменный ток только в

одном направлении. Для сварки один из полюсов источника посто­янного тока гибким кабелем соединяют через электрододержатель со свободным от покрытия участком электрода. Второй полюс источника тока соединяют со свариваемым изделием. Схема соеди­нения изделие—генератор—электрод приведена на рис. 15.

При работающем генераторе и разомкнутой цепи ток не течет, а напряжение между изделием и электродом (напряжение холостого хода) максимально и ограничивается только нормами техники бе­зопасности. Если электрическую цепь замкнуть, плотно прижав электрод к изделию, напряжение снизится почти до нуля, а сила тока будет максимальна.

Напряженность электрического поля. При приближении элек­трода к свариваемому изделию между противоположно заряжен­ными изделием и электродом устанавливается определенное взаи­модействие, которое характеризуется напряженностью электричес­кого поля Е. Напряженность Е будет тем выше, чем больше раз­ность потенциалов между электродом и изделием и чем меньше расстояние между ними. Но практика показывает, что при прибли­жении электрода к изделию без контакта даже на минимальное рас­стояние ток не потечет. Это доказывает, что между электродом и изделием заряженные частицы отсутствуют, а электроны, находя­щиеся в избытке на катоде, не в состоянии беспрепятственно вый - ти из металла, несмотря на сравнительно высокую напряженность электрического поля.

Работа выхода электронов. Силами, которые удерживают эле­ктроны в металле, является коллективное действие положитель­ных зарядов, находящихся в ядрах атомов металла. Для преодоле­ния этих сил и извлечения электронов из металлов необходимо за­тратить определенную работу — работу выхода электрона (р. Для разных металлов она различна:

Металл Работа выхода электрона, эВ

К............................................................................................................... 2,02

Na............................................................................................................. 2,12

Са............................................................................................................. 3,34

АІ.............................................................................................................. 3,74

Си............................................................................................................. 4,47

Сг............................................................................................................. 4,51

Fe............................................................................................................. 4,79

Ni.............................................................................................................. 4,84

Как правило, наличие оксидных пленок на металлах существен­но снижает работу выхода.

Зажигание электрической дуги. Дугу зажигают кратковремен­ным касанием свариваемого изделия электродом или чирканьем его торцом о поверхность металла (рис. 16). В момент соприкосно­вения через места контакта пойдет ток большой силы. Так как пло-

гцадь контакта мала, то через нес потечет ток высокой плотности. Это приведет к выделению теплоты, достаточной для расплавления и частичного испарения металла в месте контакта.

Последующий отрыв электрода от изделия произойдет не мгно­венно. В процессе отрыва расстояние от изделия до электрода бу­дет увеличиваться постепенно. В какое-то мгновение расстояние станст достаточным для достижения напряженности электрическо­го поля, обеспечивающей выход электронов (эмиссию) из катода, тем более, что работа их выхода из расплавленного или нагретого металла меньше, чем из холодного. Освободившиеся электроны ус­тремятся к аноду, получая энергию от электрического поля (анод притягивает, катод отталкивает). Количество этой энергии зависит от разности потенциалов изделия и электрода. Часть получаемой энергии электроны будут передавать молекулам воздуха или парам металла, разогревая их до высокой температуры, а часть — на не­прерывное воспроизводство заряженных частиц, без чего электри­ческая дуга не может существовать.

Ионизация элементов. Известно, что на периферии положи­тельно заряженных ядер атомов находятся электроны. Электроны, расположенные на внешней орбите, связаны с атомом слабее, чем находящиеся на внутренних орбитах. Если эти электроны удалить, электронейтральность атома нарушится, он превратится в положи­тельно заряженный ион. Для ионизации атомов необходимо затра­тить определенную работу:

Элемент Работа ионизации, эВ

Цезий (Cs)............................................................................................... 3,88

Калий (К)................................................................................................ 4,30

Натрий (Na).......................................................................................... 5,11

Алюминий (А1)...................................................................................... 5,98

Кальций (Са)......................................................................................... 6,11

Хром (Сг)................................................................................................ 6,76

Марганец (Мп)...................................................................................... 7,43

Никель (Ni)............................................................................................. 7,63

Медь (Си)............................................................................................... 7,72

Железо (Fe)............................................................................................ 7,83

Кремний (Si).......................................................................................... 8,15

Водород (Н)......................................................................................... 13,60

Кислород (О)....................................................................................... 13,60

Азот (N)................................................................................................ 14,52

Фтор (F)................................................................................................. 18,6

Масса иона металла, практически равная массе нейтрального атома, в тысячи раз больше массы электрона, например для желе­за — примерно в сто тысяч раз. Поэтому при равных значениях ки­нетической энергии mV2/2 электрона и иона скорость электрона более чем в 300 раз превосходит скорость иона железа. В связи с малой массой электроны при ударе по какой-либо частице могут передать ей почти всю запасенную энергию. В то же время при уда­ре нейтрального атома таким же атомом или ионом может быть передано не более половины запасенной энергии.

Прикатодная область сварочной дуги. Область, включающая положительный пространственный заряд и простирающаяся до ка­тода, называется прикатодной областью электрической дуги. Не­смотря на очень малую протяженность этой области, в основном именно в ней образуются элементарные электрические заряды, без которых электрический ток в газах и парах невозможен.

В начальный момент отрыва электрода от металла, на коротком пути, электрон приобретает большой запас кинетической энергии и лишь частично тратит се на нагрев газов и паров. Налетая на нейт­ральный атом, электрон способен ионизировать его, т. е. выбить из него новый электрон. В результате вместо нейтрального атома и электрона появятся положительно заряженный ион и два электрона.

Многочисленность случаев ионизации приводит к созданию вблизи катода пространственного положительного заряда. В резуль­тате между катодом и пространственным зарядом возникает раз­ность потенциалов, называемая катодным падением потенциала UK.

Расстояние от катода до пространственного заряда не превыша­ет тысячной доли миллиметра. Поэтому напряженность электриче­ского поля между катодом и этим зарядом сможет обеспечить вы­ход новых электронов из катода.

Положительные ионы под воздействием электрического поля непрерывно движутся к катоду, достигнув который передают ему свою кинетическую энергию и, захватывая электроны, превраща­ются в нейтральные атомы. При этом работа, затраченная на иони­зацию, возвращается в виде теплоты. Большая часть энергии, полу­чаемой катодом, расходуется на расплавление металла.

Столб сварочной дуги. Часть электрической дуги, непосред­ственно примыкающая к прикатодной области, называется столбом дуги.

В этой части дуги, имеющей протяженность в несколько милли­метров, происходит, в основном, перенос электронов, образующих - ся у катода. Затрата энергии на перенос готовых зарядов значи­тельно меньше, чем на их образование, поэтому напряженность электрического поля в столбе дуги будет во много раз меньше, чем в прикатодной области. Электрическая энергия в столбе дуги рас­ходуется, главным образом, на нагрев газов и паров, через которые движутся электроны. При этом на нейтральные частицы электри­ческое поле не воздействует, такие частицы непрерывно уходят из столба дуги в окружающее пространство, унося с собой получен­ную энергию. Часть энергии теряется также на излучение и на ио­низацию весьма небольшого количества атомов.

Температуру столба сварочной дуги оценивают в 5000-6500 °С. При такой температуре возможна термическая ионизация нейт­ральных атомов. Образующиеся электроны направляются к аноду, как и электроны из прикатодной области, а положительно заря­женные ионы движутся к катоду. Однако количество элементар­ных зарядов, образующихся в столбе дуги, составляет не более од­ного процента от их общего количества. Поэтому они не оказывают существенного влияния на характеристики расплавления металла электрода и свариваемого изделия.

Прианодная область. Эта область находится между анодом и столбом дуги. Ее протяженность несколько больше протяженное™ прикатодной области. У поверхности анода ток переносят только электроны, поступающие, главным образом, из столба дуги.

Образование электронов и положительных ионов в этой облас­ти происходит в сравнительно малом количестве вблизи анода вследствие ионизации нейтральных атомов электронами с повы­шенной энергией, разгоняемых электрическим полем. Возникаю­щие на границе прианодной области со столбом дуги положитель­ные ионы формируют пространственный положительный заряд, препятствующий движению электронов к аноду. Поэтому между анодом и пространственным зарядом возникает разность потенциа­лов, называемая анодным падением потенциала U. d.

Напряженность электрического поля вблизи анода будет весьма значительной, но меньше напряженности поля у катода.

Электроны, разогнанные электрическим полем, передают аноду свою кинетическую энергию, а также возвращают в виде теплоты работу выхода электронов, затрачиваемую на их извлечение из ка­тода. Основная часть получаемой энергии расходуется на нагрев и расплавление анода, а некоторая — на излучение и на разогрев ат­мосферы, окружающей анод.

Рис. 17. Схема изменения напряжения в сварочной дуге: /д — длина дуги; 1К — длина прикатодной области; 1С — длина столба дуги; /а — длина прианодной области; UR — напряжение на дуге; UK — катодное падение потенциала; UR — анодное падение потенциала; Uc - падение потенциала в столбе дуги

Из сопоставления явлений на катоде и аноде видно, что количе­ство электронов, расходуемых катодом в единицу времени на эмис­сию и нейтрализацию положительных ионов, равно количеству электронов, поступающих на анод. Генератором тока эти электро­ны вновь поставляются на катод.

Из графика изменения напряжения в сварочной дуге по всей ее длине (рис. 17) видно, что в прикатодной области напряжение UK стремительно возрастает. В связи с малой протяженностью области и высоким значением UK напряженность имеет весьма большое зна­чение Ек = UK/eK, обеспечивающее выход электронов из катода и их последующий разгон до высокой энергии, необходимой для иони­зации нейтральных атомов. Противоположная ситуация в столбе дуги, поэтому его напряженность Ес = Uc/ec будет иметь небольшое значение.

В прианодной области ток переносят электроны, поступающие, главным образом, из столба дуга. Лишь небольшая их часть образу­ется вблизи анода при ионизации нейтральных атомов. На это рас­ходуется меньшее количество энергии, чем в прикатодной области. Поэтому падение напряжения [/а и напряжет гость поля ЕЛ = U&/e. A У анода будет ниже, чем прикатодной области.

Плавление электрода при сварке. Дуговую сварку можно про­изводить при питании электрода как от положительного, так и от отрицательного полюсов сварочного генератора. Выбор полюса оп­ределяют металлургические особенности электрода. Чаще элект­род соединяют с анодом (+) — сварка на обратной полярности, ре­же с катодом (-) - сварка на прямой полярности.

Основная часть теплоты выделяется в приэлектродных облас­тях дуги на аноде и катоде, т. е. на торце электрода и в расплавляе­мой части свариваемого металла. После возбуждения дуги между электродом и свариваемым металлом начинает плавиться металли­ческий стержень электрода и на его торце образуется капля рас­плавленного металла. Под действием высокой температуры рас­плавляется и часть покрытия электрода, прилегающая к плавяще­муся участку стержня.

Капля металла растет до определенного размера, характерного для данной марки и диаметра электрода, а также условий сварки,

после чего отрывается и, попадая в расплавленный основной ме­талл, перемешивается с ним. При многократном повторении такого процесса сначала образуется сварочная ванна, затем формируется сварной шов.

Расплавленное покрытие электрода частично обволакивает об­разующиеся капли металла, частично переносится в сварочную ванну, где отделяется от жидкого металла и образует шлак, покры­вающий сварной шов.

Схема формирования сварного шва показана на рис. 18.

В процессе образования капель на торце электрода их интенсив­но бомбардируют электроны при сварке на обратной полярности или положительные ионы — при прямой полярности. Поэтому их средняя температура превышает на 300 600 °С температуру плав­ления стержня и доходит до 2200 °С.

Характеристики плавления электродов. Согласно ГОСТ 9466-75, производительность электродов оценивают коэф­фициентом наплавки ан. Значение 0СН [г/(Ач)] определяют массой металла, наплавленного в процессе сварки за 1 ч, приходящейся на силу тока в 1 А, характеризуя, таким образом, удельную произво­дительность сварки. Коэффициент наплавки существенно зависит от состава покрытия и полярности, на которой выполняют сварку. Другой нормируемой характеристикой электродов является их расход — масса (кг), необходимая для получения 1 кг наплавленно­го металла. Приведенные две характеристики необходимы при вы­боре марки и требуемого количества электродов для выполнения сварочных и нанлавочных работ.

Еще одной характеристикой электродов является коэффициент расплавления ар. Его значение определяют массой расплавленного электрода в граммах за 1 ч при прохождения тока в 1 А. Для опре­деления влияния различных факторов на скорость плавления элек­тродов коэффициент расплавления более пригоден, чем коэффици­ент наплавки, так как при его расчете не учитывают потери металла на угар и брызги.

В табл. 14 приведены опытные данные о влиянии тонкого по­крытия из различных веществ, нанесенных на стержни из низкоуг - леродистой стали, на значения коэффициента расплавления при сварке на прямой и обратной полярности. Из таблицы видно, что при сварке на прямой полярности (на электроде (-)) коэффициент расплавления самым существенным образом зависит от вида ком­понента, составляющего покрытие электрода. При сварке на обрат-

ной полярности (на электроде (+)) этот коэффициент изменяется значительно меньше.

В связи со сложностью и неполной изученностью вопроса оста­новимся лишь на основных, наиболее вероятных причинах выяв­ленной закономерности. Отметим, что ряд веществ, нанесенных на катод, существенно снижает работу выхода электронов. К таким ве­ществам относят пленки оксидов металлов, в первую очередь — ще­лочно-земельных металлов. Приближенно оценим баланс (приход и расход) теплоты на катоде и аноде с учетом влияния веществ, на­несенных на стержень.

Катод получает теплоту за счет кинетической энергии положи­тельных ионов, разогнанных электрическим полем, работы, затра­ченной на ионизацию, частично возвращаемой катоду при захвате ионами электронов из катода. Катод отдает теплоту выходящим из него «горячим» электронам, имеющим большой запас энергии. Вы­ход таких электронов охлаждает катод.

При наличии на катоде пленок, снижающих работу выхода эле­ктрона, для извлечения электронов из катода необходимо меньшее катодное падение потенциала. Следовательно, потребуется мень­ший пространственный положительный заряд, составленный мень­шим количеством положительных ионов. Число положительных ионов, поступающих на катод, и энергия каждого из них будут уменьшаться, что приведет к снижению коэффициента расплавле­ния электрода.

Предположим теперь, что на электрод нанесено покрытие, со­держащее атомы элементов, на ионизацию которых требуется за­тратить малое количество работы. Очевидно, чем меньшая работа требуется на ионизацию атомов, тем меньше ее количество получит катод при переходе ионов в нейтральные атомы. Важно отметить, что чем больше масса каждого из положительных ионов, тем мед­леннее они будут двигаться к катоду и тем меньшее их количество потребуется для формирования необходимого пространственного заряда. Поэтому наличие в покрытии электродов веществ, атомы которых обладают большой массой, требуют малых затрат работы на ионизацию и снижают работу выхода электронов, приводит к резкому уменьшению коэффициента расплавления электродов при сварке на прямой полярности. Как видно из табл. 14, такими веще­ствами являются углекислый барий и особенно углекислый цезий, атомы которого почти в 2,5 раза массивней атомов железа, а работа на ионизацию составляет всего 3,88 эВ.

Если атомы металла стержня требуют для ионизации меньше энергии, чем атомы покрытия, то они будут ионизироваться в пер­вую очередь, ЧТО И определяет значение СХр. Здесь проявляется принцип минимума: электрическая дуга горит при минимально возможной затрате энергии.

Анод получает теплоту за счет кинетической энергии электро­нов, разогнанных электрическим полем, и работы выхода электро­нов, возвращаемой аноду. Если теплота, расходуемая электродом, когда он является катодом, зависит от соотношения получаемой и отдаваемой энергий, то при сварке на обратной полярности элект­род энергию только получает. Поэтому возможностей для вариа­ции количества получаемой теплоты будет меньше.

Наличие в атмосфере дуги атомов с низким значением работы их ионизации снизит анодное падение потенциала. Поэтому элек­троны придут на анод с меньшим запасом энергии, что снизит ско­рость плавления электрода. Однако в связи со сравнительно малым значением пространственного заряда перед анодом коэффициент расплавления снизится в меньшей степени, чем при сварке на пря­мой полярности.

Сварка на переменном токе. Большая часть выпускаемых элек­тродов предназначена для сварки на переменном токе, что связано с низкой стоимостью и экономичностью применяемого для этой цели оборудования. Рассмотрим особенности сварочной дуги перемен­ного тока и некоторые меры повышения стабильности ее горения.

При сварке на переменном токе дуга угасает в конце каждого ітолупериода, а в начале следующего полупериода должна возбуж­даться вновь. В связи с периодическим изменением направления течения тока электрод попеременно становится то анодом, то като­дом. При промышленной частоте (50 Гц) промежуток времени между двумя последовательными угасаниями дуги равен длитель­ности одного полупериода и составляет 0,01 с. За это время дуга должна возникнуть, развиться и угаснуть вновь. Непосредственно после угасания дуги в междуговом промежутке остаются еще поло­жительные ионы и электроны. Помимо этого, с расплавленного торца электрода и с поверхности сварочной ванны, нагретых до вы­сокой температуры, вылетает малое количество электронов, энер­гия которых внутри металла превышает работу выхода (термоэлек­тронная эмиссия).

Одновременное присутствие в междуговом промежутке элект­рических зарядов противоположных знаков снижает скорость их рассеивания в связи с наличием взаимного притяжения.

Если к моменту возникновения и нарастания напряжения заря­женные частицы (особенно положительные ионы) сохранятся в ду­говом промежутке в достаточном количестве, то электрическая ду­га легко возникнет и разовьется. Это происходит следующим обра­зом: электроны устремляются к вновь образованному аноду, нагре­вая при этом атмосферу дуги, а положительно заряженные ионы устремляются к катоду и, формируя пространственный положи­тельный заряд, обеспечивают выход электронов из катода. Далее все будет происходить так, как это наблюдается в процессе перво­начального возбуждения дуги при сварке на постоянном токе. По­добный механизм повторного возбуждения и горения дуги имеет место при сварке на переменном токе электродами с рутиловым покрытием, в состав которого входят оксиды калия и другие легко ионизируемые элементы.

Если к моменту нарастания напряжения после перехода тока че­рез нуль концентрация заряженных частиц (особенно положитель­ных ионов) будет недостаточна, то дуга не сможет возбудиться вновь. Это происходит, например, при попытке сварки голыми эле­ктродами (стержнями).

Исходя из изложенного, видно, что стабильность сварочной дуги будет повышаться при введении в покрытие легко ионизируе­мых элементов, а также при увеличении диаметра электродов или силы сварочного тока. Последнее связано с тем, что повышение мощности дуги приводит к росту ее температуры, а следовательно, к увеличению времени существования положительных ионов.

Противоположно влияние атомов элементов-деионизаторов, об­ладающих сродством к электронам и способных образовывать до­вольно стойкие отрицательные ионы. Сродством к электрону называ­ют количество энергии, выражаемой обычно в электрон-вольтах, ко­торое выделяется при присоединении электрона к нейтральному ато­му. Обратное разложение отрицательного иона на нейтральный атом и электрон требует затраты такого же количества работы (энергии).

Ниже приведено сродство ряда элементов к электрону:

Элемент Сродство к электрону, эВ

С1............................................................................................................. '..3,7

F.................................................................................................................. 3,6

Вг................................................................................................................. 3,5

Si................................................................................................................. 1,8

О.................................................................................................................. 1,5

Механизм возникновения атомов элементов-деионизаторов следующий: во время перехода тока через нуль действие электри­ческого поля прекращается. Электроны, находящиеся в междуго - вом промежутке, в результате многочисленных столкновений с различными частицами быстро теряют энергию и, встречаясь с ато­мами элементов-деионизаторов, присоединяются к ним с выделе­нием энергии связи. В результате вместо легких и подвижных эле­ктронов образуются массивные отрицательно заряженные ионы.

Чем больше сродство атома к электрону, тем большая возмож­ность образования отрицательного иона. Отметим, что при высо­ких скоростях электронов вероятность образования отрицательных ионов очень мала. Поэтому при установившемся дуговом разряде (сварка на постоянном токе) они практически отсутствуют.

Рассмотрим механизм снижения стабильности сварочной дуги отрицательными ионами. Отрицательные ионы образуются в лю­бом участке междугового пространства, в частности, у вновь возни­кающего катода. Обладая во много тысяч раз большей массой, чем электрон, они начнут медленно отходить от катода, на который в начале полупериода будет подаваться напряжение. При этом дей­ствие пространственного положительного заряда, формирующего­ся из оставшихся положительных ионов, будет еще более ослаб­ляться нейтрализующим влиянием отрицательных ионов. Поэтому напряженность поля у катода не сможет обеспечить выход необхо­димого количества электронов, и дуга угаснет.

Для изготовления электродов с основным покрытием по метал­лургическим соображениям широко используют плавиковый шпат (CaF2) в виде плавиковошпатового концентрата. При высокой тем­пературе сварочной дуги он частично диссоциирует с выделением фтора При сварке на постоянном токе это не влияет на стабиль­ность дуги. Однако при сварке на переменном токе достаточно вве­сти в покрытие 2-4% плавикового шпата, чтобы стабильность горе­ния дуги существенно снизилась. Указанное обстоятельство необ­ходимо учитывать на практике.

Для облегчения первоначального возбуждения сварочной дуги в современном электродном производстве часто используют иони­зирующие покрытия, наносимые на оголенный торец электрода