Физические основы электродуговой сварки.

Дуговая сварка представляет собой способ сварки, при котором кромки соединяемых деталей расплавляются электрическим дуговым разрядом, возникающим между свариваемым (основным) металлом и электродом.

Электрическая сварочная дуга (вольтова дуга) представляет собой устойчивый электрический разряд в сильно ионизированной среде газов и паров металла. При сварке плавящимся электродом шов образуется за счет расплавления основного металла и металла плавя­щегося электрода. Дуга питается от источника перемен­ного тока обычной, повышенной и высокой частоты или источника постоянного тока. Сварочная дуга характеризу­ется высокой температурой газов и большим током в зоне разряда.

Для возник­новения электрического разряда газовый промежуток между электро­дами должен быть ионизирован.

Зажигание дуги при сварке плавящимся электродом начинается с короткого замыкания (соприкосновения) электрода с изделием (рисунок 2а). Ток короткого замыкания I_кз практи­чески мгновенно расплавляет металл в месте контакта, в результате чего образуется жидкая перемычка. При отводе электрода от изделия жидкая перемычка, образо­вавшаяся между электродами, растягивается, металл пе­регревается и его температура достигает температуры кипения, в результате которого значительно ускоряется движение свободных электронов. Под действием мощного электрического поля начинается эмиссия электронов металла в межэлектродное пространство (рисунок 2б).

1 – электрод, 2 – свариваемая заготовка, 3 – электроны, 4 – положительно заряженные ионы, 5 – катодное пятно, 6 – дуга, 7 – анодное пятно

а) короткое замыкание; б) ионизация; в) устойчивое горение:

Рисунок 2 - Схема зажигания сварочной дуги

В газовом промежутке электроны, сталкиваясь с нейтральными атомами, ионизируют их на положительно и отрицательно заряженные частицы − ионы. Это явление называется ионизацией (соударением). Кроме этого, в ре­зультате высокой температуры происходит тепловая (термическая) ионизация, а за счет мощного лучевого потока − фотоионизация. В результате иониза­ции газовая среда становится высоко электропроводной, что обеспечивает устойчивое горение сварочной дуги (рисунок 2в). В процессе горения дуги ионизация поддерживается благодаря высокой температуре.

Воздух состоит, главным образов, из двух газов − кислорода и азота. Потенциал ионизации кислорода и азота достаточно высок - 13,6 эВ и 14,5 эВ соответственно. Чем ниже потенциал ионизации, тем больше будет электрически заряженных частиц в дуговом промежутке и тем, следователь­но, будет более устойчив процесс дугового разряда. Для улучшения, стабильности дугового разряда в состав электрод­ных покрытий вводят химические соединения, содержащие в себе элементы с более низким потенциалом ионизации (например, калий с потенциалом ионизации − 4,3 эВ).

Электрическая дуга состоит из трех областей (рисунок 3): катодной области (l_к), столба дуги (l_с) и анодной области (l_a). Длина катодной области составляет 10⁻⁵см, анодной области 10⁻³−10⁻⁴ см. Выделение тепловой и световой энергии в различных точках дугового разряда различно. Большее количество теплоты выделяется на аноде (43%). На катоде выделяется до 36%, в столбе дуги – 21%. Температура в столбе колеблется от 5000 до 12000 °К в зависимости от состава газовой среды дуги, материала и диметра электрода, плотности тока.

Рисунок 3 - Распределение падения напряжения в дуге

Общее напряжение дуги U_д равно сумме падений напря­жений в ее отдельных областях:

где U_к − падение напряжения на катоде,

U_с − падение напряжения в столбе дуги;

U_a − падение напряжения на аноде.

При ручной дуговой сварке стальными электродами рабочее напряжение обычно составляет 16–28 В.