СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

СВАРОЧНАЯ ДУГА

Сварочной дугой называется длительный элек. рич^с„ил разряд между двумя электро­дами в ионизированной смеси газові и паров, характеризующийся высокой'плотностью тока и м° иым напряжением.

Под электрическим разрядом ПОНИМаїОТ прохождение тока через газовую среду. Суще­ствует несколько форм или видов электриче­ского разряда:. дуговой, тлеющий, искроьои и др. Один разряд отличается от другого дли­тельностью, напряжением, силой тока и др.

Ь лависимо~ги от схемы подвода сварочного тока, рода тока и других признаков различают следующие <эдды сварочных дуг:

дуга прямого действия (рис. 12, а), когда ду а горит между электродом и свариваемым металлом;

о)

Рис. 12. Схемы сварочных дуг: а — прямого действия, 6 — і освеиноггі действия, в — прямого действия двумя электродами при трех­фазном токе, г “Сжатая дуга

дуга косвенного действия (рис. 12, б), когда дуга юр:гг между двумя З'їектродалги - а свари­ваемый металл не включен в электрическую цепь;

дуга между двумя плавящимися элек- рода­ми - и свариваемым изделием при питании пере­менным трехфазным током (рис. 12, в);

' сжата.1* ajra (рис. 12, г) и др.

1 ї елі кв горения сварочной дуги. В ооычных условиях газы ие проводят электрического тока. Для образования и поддержания горения дуги необходимо иметь в пространстве между элек­тродами электрически заряженные частицы (по - i ложигельпые и отрицательные ионы и электро - . ны). Ионы в газовом промежутке между элек - 1 тродами образуются в результате потери или йрйсоедийейгя к атомам электронов, а элек­троны испускаїлтся сильно нагретым катодом:5 Процесс образования электрически заряжен­ных ЧаСіЯЦ в междуэлектродном пространстве называется ионизацией, а энергия, затраченная на отрыр электрона от атома, следовательно, и на образование положительного иона, — работой ионизации. Эта работа выражается в зл“тгрон-волЬіах (эВ) и называется потенциа­лом ионизации. Для отрыва электрона от атома требуется сообщлть ему некоторую энергию. Энергия, затраченная на сообщение электрону этой скорости, носит название потенциала возбуждения и измеряется в эВ.

Be та ИпЫ потенциалов ионизации и возбуж­дения зависят от природы атома и колеблются от 3,9 до 24,5 эВ. Нрл леньшими потенциалами ионизации обладают щелочноземельные ме­таллы (калий, кальций) и их соединения. Эле­менты, обладающие малыми потенциалами ионизации и возЬужления, вводы в состав электродных покрытий, так как они способст­вуй устойчивому горению дуги. Это нер­ве У с. Л о В и е устой-.иного горения дуги. Pt ор о е условие— напряжение холосто - 1*7 *0,Д* источника питания должно быть боль­ше. ппрг^'-шя дуги.

Y. T-jo і'іье условие горения дуги — под - ІЩШШи высокой температуры нагрева катода. Эта темі %атура завыЗГ. от Материала катода, тспЪш газового промежутка между ЗЛЄКірО - диам«іра зла ктрода н температуры окру - jcaioffltn і спеты.

С-роеьве < і о"зой дуги. Сварочная дуга со­стоит из катодной области, столба дуги и анод­ной области (рис. 13).

Като тная область распросі рай ется на учас­ток электродного материала и на приэлектрод-

ную часть дуги. На торце электрода при бом­бардировке его положительными ионами обра­зуется катодное пятно, с которого происходит при этом дополнительный выход элек­тронов, кроме образогавшихся при ионизации в междуэлектродном пространствз. Электроны, выходящие с поверхности электрода, называ­ются первичными. Выход первичных электродов оСъясн тетсл несколькими факторами: термо­электронной эмиссией (испус-^ш. гм) электро­нов, автозлеї гронной эмиссией и ионизацией на катоде. Термоэлектронная эмис­сия заключается в нагреве Поверхности элек­трода до высокой температуры, при которой связь электрона с ядром атома ослабевает и под влиянием электростатического притяжені я он отрывается с поверхности катода и с боль­шой глоростью устремляется к аноду. С увели­чением температуры нагрева электрода число вырываемых электронов увеличивается.

Автоэлектронная эмиссия состоит в том, что под влиянием высокой напряжен го­сти электрического поля с катода вырываю*''! первичные электроны и летят к аноду. С увели­чением разноси, потенциалої между электро­дами выход с катода первичных электронов возрастает.

Ионизация на катоде происходит в ре­зультате соударений с электронами положи­тельных ионов, которые образуются при иони­зации в столбе дуги и летят к катоду. Ионизация также происходит в результате излучения (far называемая фотоионизация).

В столбе дуги происходит образование вторичных электронов, а также положи­тельных ионов Электроны устремляются к аноду, поддерживая ионизацию в анодной об­ласти. Положительные ионы движутся к като­ду, выбивают из него электроны; при этом часть положительных ионов, соединяюсь с электрона-

ми, образует нейтральные атомы. Процесс об­разования нейтральных атомов называется ре­комбинацией. Вследствие рекомбинации урав­новешиваются процессы исчезновения и обра­зования заряженных частиц в дуге и степень ионизации нагретого газа остается неизменной.

Анодная область дуги состоит из анодного пятна и приэлектродной части. Анодное пятно подвергается бомбардировке потоком элект­ронов, образовавшихся при ионизации в столбе дуги. В результате бомбардировки анода воз­никают ионы. От сильной бомбардировки анод­ная область всегда имеет форму вогнутой сфе­ры (чаши), которая называется кратером.

Особенности сварочной дуги. Сварочная дуга по сравнению с другими электрическими разря­дами имеет следующие особенности:

1. Неравномерное распределение электри­ческого поля в междуэлектродном пространстве (рис. 14). Вблизи электродов создаются резкие изменения потенциала — это катодное и анод­ное падения напряжения, причем катодное па­дение напряжения (порядка 10 В) обычно зна­чительно больше анодного. Такие скачки паде­ний напряжения на участке весьма малой про­тяженности вызваны условиями прохождения тока из одной среды (металлический проводник) в другую (газ и пары сварочных материалов).

2. Высокая плотность тока в дуге, достигаю­щая тысяч А/см2 на электродах и в столбе дуги.

3. Высокая температура дуги. Наибольшая температура достигается в столбе дуги, наи­меньшая — на поверхности катода и анода. Температура на поверхности катода и анода достигает температуры испарения электродов

независимо от вида дуговой сварки. Например, при сварке стали на прямой полярности уголь­ным электродом температура катода может достигать температуры кипения углерода, т. е. ~ 3700°С. |

Температура в столбе дуги зависит от ве­личины эффективного потенциала ионизации Vi Эф, состава ионизированного газа и плотно­сти тока столба дуги.

Между температурой столба дуги и эффек­тивным потенциалом ионизации при сварке штучными электродами найдена зависимость Гс=800 U; эф. Обычно величина эффективного ионизационного потенциала близка по вели­чине к наименьшему ионизационному потен­циалу одного из компонентов, участвующих в смеси дугового газа. Например, при сварке тол­стопокрытыми электродами, в состав покрытия которых включено легкоионизирующее (стаби­лизирующее) вещество, содержащее натрий, Тс =800 ■ 5,1 = 4080 К, где 5,1 — величина иони­зационного потенциала натрия.

Особенно сильно возрастает температура столба дуги при его сжатии (гл. XV).

4. Возможность получения различных ста­тических вольтамперных характеристик.. Ста­тической волыпамперной характеристикой дуги называют зависимость падения напряжения в дуге от силы тока при постоянной длине дуги (установившемся горении). Дуга, применяю­щаяся в сварочной технике, может иметь па­дающую, жесткую и возрастающую характе­ристики в зависимости от условий сварки (рис. 15).

Падающая характеристика — с увеличением тока напряжение уменьшается, жесткая харак­теристика — увеличение тока не изменяет на­пряжения дуги, возрастающая характеристи­ка —- увеличение сварочного тока приводит к возрастанию напряжения дуги.

і /чдгющий участок характерен для мало­мощной дуги, при сварочном токе менее 50 А и плотности тока на электроде 10—1? А/мм2. Жест кая xapairr ристика соответствует свароч­ным токам 50—1000 А и плотностям тока на электроде от 12 до 80 А/мм2. Возр ^лающая харпктепистика дуги наблюдается при сварке тонкой сварочной проволокой с плотностями тока на электроде более 80 А/мм2.

Нагрев н їдьлия и эффективный коэффициент полезного действия дуги. Количество тепла, вво­димое дугой в свариваемое изделие в единицу времени, называют эффективной тепловой мощ­ностью дуги <?„• Она включает в себя тепло, непосредственно выделяющееся на катодном или анодном пятне на изделии; тепло, посту­пающее с каплями электродного металла, по­крытия или флюса; тепло, вводимое в иьд^лие из стг іба дуги.

Скорость нагрева изделия при дуговой свар-, ке Характеризує', - л эффективным к. п. д. на­грева металла дугой %, представ іяпщим от­ношение эффективной мощности q-н к полной тепловой мощности дуги q ~024Ю кал/с, та­ким образом T)t = Jb., Численная величина т)„

зависит от вида Дуговой сварки, типа сварного соединения, длины дуги скорости сварки, от рода и полярности тока, марки электрода и др.

Значения г|и для различных видов сварки: открытая. угольная дуга — 0,5-4-0,65; дуга в аргоне — 0,5—0,6; сварка штучными покры­тыми электродами — 0,7—0,85; сварка под флюсом — 0,854-0,93.

Количество тепла, вносимое дугой в изде - лр<* на единицу длины шва, называется погонной энергг ей сварки. Погонная тепловая энергия выражается отношением

<?„= = °’24^Urt* кал/см, где v — скорость сварки, см/с.