Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Электрическая дуговая сварка

Источником теплоты при дуговой сварке служит электричес­кая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зави­симости от материала и числа электродов, а также способа вклю­чения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки:

- по применяемым электродам — дуга с плавящимся и не - плавящимся электродом;

- по степени сжатия дуги — свободная и сжатая дуга;

- по схеме подвода сварочного тока — дуга прямого и кос­венного действия;

- по роду тока — дуга постоянного и переменного тока;

- по полярности тока —=■ дуга на прямой полярности и дуга на обратной стороне полярности;

— по виду статистической вольт-амперной характеристи­ки — дуга с падающей, возрастающей или жесткой харак­теристикой;

— по способу защиты сварного шва — в среде защитного газа или под слоем флюса.

Сварочной дугой называют устойчивый длительный разряд электрического тока в газовой среде между находя­щимися под напряжением твердыми или жидкими провод­никами (электродами) либо между электродом и изделием. Сварочная дуга существует при токах от десятых долей ампера до сотен ампер. Дуга характеризуется высокой плотностью тока в электропроводном газовом канале, выделением боль­шого количества тепловой энергии и сильным световым эф­фектом.

Разряд является концентрированным источником теплоты и используется для расплавления металла при сварке. Дуговой разряд тока происходит в ионизированной атмосфере газов и па­ров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во вре­мя зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения.

Электрические заряды в сварочной дуге переносятся поло­жительно и отрицательно заряженными частицами. Отрица­тельный заряд несут электроды, а положительный и отрицатель­ный заряды ионы. Процесс, при котором в газе образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией, а газ называется ионизированным.

Газы, я том числе и воздух, при нормальных условиях не проводят электрического тока. Это объясняется тем, что при нормальных условиях, т. е. при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха 2Q°C, воздушная среда состо­ит из нейтральных молекул и атомов, которые не являются но­сителями зарядов. Эти молекулы и атомы станут электропро­водными в том случае, если в своем составе будут иметь электроны, которые возникают при воздействии на них элект­рического тока.

Для возникновения электропроводности газов они должны быть ионизированы. г

Ионизацией молекулы (атома) называется отщепление одно­го или нескольких электронов и превращение молекулы (атома) в положительный ион. Если молекулы (атомы) присоединяют к себе электроны, то возникают отрицательные ионы.

Ионизация газа вызывается внешними воздействиями;

— достаточным повышением температуры;

— воздействием различных излучений;

— действием космических лучей;

— бомбардировкой молекул (атомов) газа быстрыми элект­ронами или ионами.

Обратный ионизации процесс, при котором электроны, при­соединяясь к положительному иону, образуют нейтральную) мо­лекулу (атом), называется рекомбинацией.

При обычных температурах ионизацию можно вызвать, придав уже имеющимся в газе электронам и ионам при помо­щи электрического поля большие скорости. Обладая большой энергией, эти частицы могут разбивать нейтральные атомы и молекулы на ионы. Кроме того, ионизацию можно вызвать, воздействуя световыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, радиоактивным излучением.

Однако, исходя из практической точки зрения и в целях безопасности использования, применяют другие способы иониза­ции.

Так как в металлах имеется большая концентрация свобод­ных электронов, то можно извлечь эти электроны из объема ме­талла. Существует несколько способов извлечения электронов из металла.

Для сварки электрической дугой имеют значение два спо­соба:

- термоэлектронная эмиссия, при которой происходит «испарение» свободных электронов с поверхности ме­талла благодаря высокой температуре. Чем выше тем" пература, тем большее число свободных электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления по­тенциального барьера в поверхностном слое и выхода из металла.

- автоэлектронная эмиссия. При автоэлектронной эмис­сии извлечение электронов из металла производится при помощи внешнего электрического поля. Приложенное извне электрическое поле изменяет потенциальный барьер у поверхности металла и облегчает выход электро­нов, имеющих большую энергию и могущих преодолеть этот барьер.

Ионизацию, вызванную в некотором объеме газовой среды, принято называть объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких темпе­ратур, называется термической ионизацией.

При высоких температурах газа значительная часть моле­кул обладает достаточной энергией для того, чтобы при столк­новениях могло произойти разбиение нейтральных молекул на ионы. Кроме того, с повышением температуры общее число стол­кновений между молекулами увеличивается. При очень высо­ких температурах в процессе ионизации заметную роль играет излучение от электродов и излучение от газа.

Прохождение электрического тока через газы называется электрическим разрядом.

Дуговой разряд является одним из видов электрического раз­ряда.

Существуют и другие виды электрического разряда в газах:

• искровой кратковременный разряд, который происходит при мощности источника питания, недостаточной для поддержания устойчивого дугового разряда;

• коронный разряд, возникающий в неоднородных элект­рических полях и проявляющийся в виде свечения ионизированного газа;

• тлеющий разряд, который возникает при низких давле­ниях газа (например, в газосветных трубках).

Для сварки металлов применяется, в основном, электричес­кая дуга прямого действия, т. е. используется дуговой разряд меж­ду изделием и электродом. В такой дуге одним электродом явля­ется металлический или угольный стержень, а вторым — сва­риваемое изделие.

К электродам подводится питание — электрический ток. Ток вырабатывается специальным устройством — источником пита­ния. Источники питания вырабатывают переменный или посто­янный ток. В дуге выделяют несколько областей (рис. 3):

1 - катод;

2 - катодная область;

3 — столб дуги;

4 - анодная область;

5 - анод.

Каждая из выделенных областей отличается своими фи­зическими явлениями, протекающими в ней. Участки, непо­средственно примыкающие к электродам, называют, соответ­ственно, анодной и катодной областями. Положительный электрод — анод, а отрицательный электрод — катод. Длина анодной и катодной областей очень мала — от нескольких длин свободного пробега нейтральных атомов в катодной области — 1'10‘ь см и до длины свободного пробега электрона в анодной области — 1-Ю'3 см. Между этими областями располагается наи­более протяженная высокотемпературная область (0,05-0,5 см) разряда — столб дуги.

Распределение электрического потенциала по длине дуги неравномерное. Возле электродов имеют место скачки падения потенциалов, вызванные условиями прохождения электричес­кого тока на границе между ионизированным газом и метал­лическими электродами. Дуговой разряд обязан своим суще­ствованием процессам на катоде. Катод является «постав­щиком» электронов. Причины выхода электронов — в сущест­вовании термоэлектронной и автоэлектронной эмиссии, упоми­навшейся выше.

Электроны, эмитированные из катода, ускоряются под действием электрического поля. На внешней границе катода электроны сталкиваются с молекулами и атомами газа, нахо­дящегося в межэлектродном пространстве. При упругих стол­кновениях при попадании электронов в молекулы повышает­ся температура газа. При неупругих столкновениях элект­роны, передавая частицам энергию, производят ионизацию газа.

В результате интенсивной термической ионизации столб дуги представляет собой ионизированный газ, состоящий из электро­нов и ионов — плазму. Под действием приложенного электриче­ского поля электроны движутся к аноду, а положительно заря­женные ионы — к катоду.

В результате интенсивной бомбардировки поверхностей электродов ионами и электронами происходит мгновенное разо­гревание металла. При этом 43-43% общей подводимой мощнос­ти выделяется на аноде, 36-38% выделяется на катоде, 20-21% мощности уходит в окружающую среду через излучение и кон­векцию паров и газов, а остальные потери мощности — на раз­брызгивание и угар свариваемого металла. При сварке, как пра­вило, анодом служит свариваемая деталь.

При сварке угольным электродом температура в катодной области достигает 3200’С, в анодной области 3900°С. При сварке металлическим электродом температура катодной области состав­ляет 240(ГС, а анодной — 260СГС. В столбе дуги температура дос­тигает 6000-7000°С.

Различная температура анодной и катодной областей исполь­зуется для решения технологических задач. Например, при свар­ке тонколистовых металлов катодом является сама деталь, а ано­дом — электрод.