ТЕОРИЯ сварочных процессов

Сварочные дуги с плавящимся электродом

ВИДЫ СВАРОЧНЫХ ДУГ

Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшие из которых следующие два: 1) состав плазмы, размеры и условия стабили­зации столба дуги; 2) материал, размеры и форма электродов (особенно катода).

Кроме того, большое влияние оказывает режим сварки: плот ность тока, его значение, полярность, наличие импульсов, их амплитуда и частота, динамические характеристики источника питания и т. п.

Все эти факторы взаимосвязаны, т. е. представляют собой зависимые параметры. Однако, как указывалось выше, по тип) катода сварочные дуги условно можно разделить на два основ ных вида:

в парах металлов — так называемые металлические (Ме­ду ги) ;

в газах — главным образом так называемые вольфрамовые (W-дуги).

Основные технологические применения Me-дуг — сварка и резка плавящимся электродом, а W-дуг — сварка неплавящимся электродом, «плазменная сварка и резка, напыление.

Me-дуги используют при сварке электродами без покрытия, покрытыми и порошковыми электродами и проволоками, при сварке под флюсом и в защитных газах (СОг, Аг, Не), а также при сварке в вакууме.

Защитные среды для металлических дуг в большинстве слу­чает обеспечивают широкие возможности регулирования метал лургических процессов при сварке.

W-дуги используются обычно в среде защитных инертных газов (Аг, Не и т. п.).

Существуют, безусловно, отклонения от указанных разделе­ний, например W-дуга в вакууме или в инертном газе с испаря­ющимся анодом или катодом, однако они сравнительно редки. Используются также графитовые (угольные) и медные охлаж­даемые неплавящиеся электроды, но сравнительно редко. Все про­цессы сварки Me-дугой, представляющие большой интерес в ме­таллургическом отношении, рассмотрены подробно в разд. II и III и здесь описываются кратко.

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА

Ручная дуговая сварка Me-дугой ведется обычно электрода­ми диаметром 2...6 мм на постоянном и переменном токах силой

100.. .300 А при плотностях тока по сечению электрода / < <20 А/мм2 в любом пространственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытия-

Рис. 2.48. Зависимость градиента напряжения Е в столбе дуги от суммы катодного и анодного паде­ний напряжения (7К -f - Ua

ми), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с ко­роткими замыканиями. К-п. д. дуги составляет около 75%.

Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30% общей мощности дуги (табл. 2.3).

Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Значение UK -+- Ua определяли из опытов экстраполированием прямой уравнения Айртон £/д = а + Ы (рис. 2.47).

Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На устойчивость дуги оказывают влияние внутренние усло­вия в самой дуге (состав и свойства плазмы) и внешние усло­вия — статические и динамические свойства источника питания и свойства электрической цепи, определяющие в большой мере переходные процессы в дуге.

Наиболее известна оценка устойчивости дуги по ее разрыв­ной длине /разр. Чем больше разрывная длина дуги, тем выше ее устойчивость (см. табл. 2.3).

Многие авторы указывают, что введение в дугу элементов с низким потенциалом Ui повышает ее устойчивость. Такие элемен­ты облегчают возбуждение дуги, горение ее на переменном токе, а также уменьшают блуждание и разбрызгивание на постоян­ном токе.

Считалось, что пары легкоионизируемых элементов попадают в столб дуги и повышают степень ионизации х в нем.

Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с воздействием их на работу выхода катода, поскольку значение ф тесно связано с потенциалом ионизации. Пары веществ - ионизаторов попадают в зону катода, понижают его работу вы­хода, что снижает катодное падение, повышает электропровод­ность катодной области и устойчивость дуги в целом. Анодное падение мало изменяется и составляет в Me-дугах, как уже отме­чалось, 2,5 ± 0,5 В.

Уменьшение UK -+■ Uа повышает градиент напряжения в дуге (рис. 2.48). Это, например, облегчает сварку на автоматах с ре­гуляторами напряжения дуги.

Введение элементов-ионизаторов уменьшает мощность, выде­ляемую в приэлектродных областях, и увеличивает долю энер­гии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплав­ления при этом обычно снижается.

СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

Дуга под флюсом отличается от свободной (открытой) свароч­ной дуги в первую очередь тем, что газовый разряд происходит в изолированном расплавленным шлаком пространстве. Наличие газового пузыря обусловливает повышение давление в нем, на­пример около 3 кПа при токе порядка 500 А.

Флюсовая защита позволяет значительно повысить по срав­нению со сваркой открытой дугой токи /св (до 1000 А и более), мощность дуги и плотность тока на электродах гсв (до 200 А/мм2 и выше).

Высокая плотность тока, избыточное давление, некоторое шунтирование дуги флюсом и присутствие во флюсе ионизиру­ющих компонентов обеспечивают высокую устойчивость процесса сваркн. Практически отсутствует разбрызгивание металла, шов хорошо формируется.

Высокая плотность тока обусловливает возрастание вольт - амперной характеристики дуги, что позволяет применять источ­ники питания с жесткой или пологой внешней характеристикой (рис. 2.49). Широко применяется постоянная скорость подачи электрода в дугу, обеспечивающая саморегулирование процесса.

Перенос металла в дуге под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой (рис. 2.50) обычно мелкокапельный без корот­ких замыканий и пиков тока іД и напряжения ид (рис. 2.50, б). Размер капель тем мельче, чем больше ток. Существенную роль имеет перенос электродного металла паром. Капли обычно по­ристые (плотность 2...5 г/см3 вместо 7,8 г/см3 для стали). Коли-

о) чество мелких капель до­

стигает 60...70% их общего количества. Температура ду­ги 5000...7000 К - При сварке на переменном токе она колеблется в зависимости от изменения угла синусоиды ф (рис. 2.51).

Высокая устойчивость процесса позволяет в по­давляющем большинстве случаев применять перемен­ный ток, что связано с боль­шей простотой и экономич­ностью оборудования. Раз­личный теплоотвод с элек­трода и изделия обусловли­вает некоторую асимметрию тока в дуге под флюсом. Однако вентильный эффект сравнительно мал, и, как правило, специальных уст­ройств для его устранения не требуется.

Процесс сварки под флю­сом отличается высоким к. п.д. (рис. 2.52), легко авто­матизируется и поэтому ши­роко применяетсся в про­мышленности.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДУГИ В ЗАЩИТНЫХ ГАЗАХ И ВАКУУМЕ

Ме-дуга в защитных га­зах используется в основном для сварки малоуглероди­стых сталей (С02, смесь СОг + Аг, СОг + Ог), а так­же алюминиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей (Аг, Аг + Не) главным образом на постоянном токе обратной полярности при жесткой или пологопадающей характеристике источников питания. Наибольшее применение ввиду своей экономичности получил процесс механизированной сварки тонкой проволокой в среде углекислого газа. Оснащение этих установок для механизированной сварки импульсными приставками для уп­равляемого переноса существенно расширяет область их приме­нения.

а)

РассеиВоние В окружа - тц« срА*гв% , тп! ре!

-—і /1электрода 20%

—J Ь~г

Полная теплоВоя Z___ I___

мощность Виги = 10^1

Т

РассеиВание 8

'средуЛ^ раЩшгир- ^ТплпСинп-

----------------------------------

100%

'Перенос с каплями. о/

ппсплпВленного Т / флюса * 18 А металла *28 %/~

Ме-дуга в вакууме горит обычно в парах металла электрода главным образом при обратной полярности. Давление среды — от 1,0 Па и ниже.

Безусловно, дуга в вакууме отличается по своим свойствам от дуги при атмосферном давлении. Плазму столба дуги уже нельзя рассматривать как термически равновесную, так как электронная температура больше температуры газа Те>Те (см. пример 3). Термическая ионизация в столбе дуги снижается

Выделение энергии на

нагред Вылета тетрода прохо­дящим током кЧ

222 Вт 0

На аноде зо счет электронов из плаз­мы столба дуги 1321Вт

Но аноде за счет потока электро­нов с катода 972 Вт

В столбе диги 683 8т

На котоде 637 Вт

ВВщее Выделение энергии 9331 Вт -100%

Общее потребление энергии 100% -3491Вт

Рис. 2 53. Баланс энергии вакуумной дуги /= 170 А, У = 26 В, с = 20 м/ч, i,= 2,0 нм, = 0,2 В/мм, ар = 40 г - ч

и ее роль компенсируется неупругими столкновениями. В вакуум­ной дуге увеличивается катодное падение напряжения до 18... 20 В и уменьшается градиент напряжения в столбе дуги по срав­нению с атмосферными дугами с 2...4 до 0,2...0,4 В/мм, т. е. при­мерно в 10 раз (в воздухе Е—1,5...2,0 В/мм; в среде ССЬ £ =3...4 В/мм).

Столб вакуумных дуг обычно длиннее, что позволяет приме­нять более узкую разделку кромок стыка. Анодное падение напряжения меняется мало.

Баланс энергии в вакуумной дуге (рис. 2.53) показывает, что часть энергии на анод приносится непосредственно с катода. Вследствие интенсивного выделения теплоты на электроде-аноде коэффициент наплавки растет до 35...40 г/(А-ч). Это почти в 2 раза больше, чем при сварке под флюсом. Стоимость сварки в вакууме оказывается в ряде случаев ниже, чем в контролируе­мой атмосфере, а качество шва достаточно высокое.