ТЕОРИЯ сварочных процессов

Сварочные дуги с неплавящимся электродом

В качестве неплавящихся электродов для сварочных процес­сов применяют главным образом вольфрамовые, значительно реже — угольные (графитовые) и охлаждаемые медные элек­троды. Наибольшее распространение получила сварка вольфра­мовым (W) электродом в среде аргона, гелия и их смеси.

Вольфрам, нагреваясь от дуги до температур, близких к тем­пературам плавления, становится весьма восприимчивым к дейст­вию активных газов. Поэтому в целях экономии электродов и для обеспечения стабилизации процесса обычно при сварке W-элек - тродом используют инертные газы.

АРГОНО-ДУГОВАЯ СВАРКА W-ЭЛЕКТРОДОМ

Аргоно-дуговая сварка W-электродом широко применяется для ответственных конструкций из коррозионно-стойких сталей, алюминиевых и других сплавов. Сварка обычно ведется на прямой полярности (исключая сварку алюминия), от источника с крутопадающей характеристикой.

Как уже отмечалось, W-дуги могут быть с катодным пятном и без катодного пятна (так называемые нормальные дуги). Несмотря на отличие в механизме катодного процесса (значи­тельная доля электростатической эмиссии в дугах с катодным пятном), статические характеристики и тепловые балансы обеих

дуг весьма сходны. Нормальная дуга всегда может быть получена на полукруглом катоде из чистого вольфрама.

При нагреве электрода дуга с катодным пятном может сама перейти в нормальную термоэмиссионную дугу.

Образованию пятна на катоде способствуют введение добавки тория, иттрия или лантана к вольфраму (обычно до 1...2%), лучший теплоотвод (меньший вылет) электрода и более острая заточка его рабочего конца. Поверхность торированного, иттри - рованного или лантанированного вольфрама, имеющего по срав­нению с чистым W пониженную температуру, практически не оплавляется в широком диапазоне токов (100...400 А). Кониче­ская вершина электрода сохраняет свою форму, что обеспечивает сжатие дуги у катода.

Дуга с пятном имеет несколько повышенное (примерно на 10%) напряжение (катодное и общее) и большую на 10...20% температуру столба (рис. 2.54). Температура катода в дуге с пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сферическую поверх­ность электродного стержня.

а)

По теплофизическим свойствам гелий существенно отличается от аргона. Он имеет высокий потенциал ионизации (24,5 вместо 15,7 эВ) и в 10...15 раз большую теплопроводность при темпера­турах плазмы. Кроме того, он легче аргона примерно в 10 раз. Достаточная для существования дуги ионизации аргона при п « 1017 ионов/см3 наступает примерно при 16 000 К, в то время как для гелия — при 25 000 К. Все эти особенности существенно влияют на свойства W-дуги в гелии. Например, добавление к аргону гелия постепенно превращает конусную дугу в сфериче­скую (рис. 2.55, а). Пинч-эффект в гелиевой плазме практически ие имеет места до весьма больших плотностей тока, так как зна­чительная теплопроводность гелия дает низкий температурный градиент по радиусу столба и весьма высокое внутреннее давле­ние р = nkT.

Высокий средний градиент напряжения Е в плазме гелия, достигающий 2 В/мм против 0,8...1,2 В/мм в аргоне, обусловли­вает высокое напряжение на дуге (рис. 2.55, б).

Вольт-амперные характеристики W-дуги в гелии и других инертных газах (аргоне, неоне, криптоне, ксеноне) представлены на рис. 2.56. Скачок характеристики для гелия при 150 А связан, видимо, с переходом от дуги в парах титанового анода к дуге в ионизированном гелии.

БАЛАНС ЭНЕРГИИ W-ДУГИ

W-дуги уникальны среди электрических раз­рядов благодаря тому, что они могут гореть при напряжениях меньших, чем потенциал ионизации проводящего газа. Низкое напряжение ни в коем случае не обусловлено наличием в столбе метал­лических паров от элек­тродов. Эта дуга при Uя « 9... 11 В может гореть, например, в потоке арго­на, имеющем потенциал ионизации 15,7 В и мини­мальный потенциал воз­буждения 11,5 В. В стол­бе дуги спектроскопиче­ски не обнаруживается каких-либо металлических паров. Очевидно, в этом

случае благодаря высокой температуре происходит интенсивная термоионизация.

Выше было показано, что при малых мощностях значитель­ная доля энергии (до 40%) может выделяться на катоде и лишь

20.. .30% — на аноде. Это связано с тем, что температура катода низка и на эмиссию требуется большая затрата мощности источ­ника. С увеличением тока доля катодной теплоты уменьшается обычно до 25% и даже до 8... 12%, а анодной достигает 80... 85% общей мощности дуги.

Расход W-электрода при сварке может значительно увели­читься при слишком большом токе или подключении его на об­ратную полярность, а также при недостаточной защите его инертным газом или возбуждении дуги касанием. Допускаемые плотности тока для W-электродов выше на постоянном токе пря­мой полярности (20...30 А/мм2), примерно в 2 раза ниже на пе­ременном токе и еще ниже (в 3...8 раз) — при сварке на обрат­ной полярности.

Для электродов в гелии допустима меньшая плотность тока, так как температура гелиевой плазмы выше, чем плазмы аргона, и теплопередача на катод больше. С увеличением диаметра W-электродов допустимая плотность тока уменьшается примерно в обратной пропорции.