Лекция №3 Сварочная дуга и ее свойства

Сварочная дуга и ее разновидности

Сварочная дуга — это мощный устойчивый электри­ческий разряд в газовой среде между двумя электрода­ми, или между электродами и изделием.

Электрическим разрядом называется прохождение электрического тока (т. е. направленное движение заря­женных частиц) через газовую среду. Различают несколь­ко видов такого разряда: искровой, дуговой, тлеющий и т. д., которые отличаются длительностью, силой тока, напряжением и другими характеристиками.

Что представляет собой сварочная дуга?

— принципу действия — сварочные дуги прямого, кос­венного и комбинированного действия;

— роду тока — дуга постоянного тока и дуга перемен­ного тока (трехфазного или однофазного);

— длительности горения (стационарная дуга, импуль­сная дуга);

— полярности постоянного тока — дуга прямой по­лярности и обратной полярности;

— степени сжатия — свободная или сжатая дуга;

— виду среды, в которой происходит горение дуги — открытая, закрытая и дуга в среде защитных газов;

— виду применяемого электрода — дуга с плавящим­ся и неплавящимся электродом;

— виду статической вольтамперной характеристики — дуга с жесткой, падающей и возрастающей характерис­тикой;

— длине дуги — короткая, нормальная и длинная.

По принципу работы различают сварочные дуги пря­мого, косвенного и комбинированного действия (рис. 10). Дугой прямого действия называется дуговой разряд, который происходит между электродом и деталью (изде­лием). Дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка) называется косвенной дугой, а сочетание дуги прямого и дуги косвенного действия — комбинированной дугой. Примером комбинированной дуги является трехфазная дуга, у которой две дуги элект­рически связывают электроды со свариваемой конструк­цией, а третья горит между двумя электродами, изолиро­ванными друг от друга.

Сварочные дуги подразделяются также по роду исполь­зуемого электрического тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по длительности горения (стационарная дуга, импульсная дуга). Кроме того, при использовании постоянного тока различают дуги прямой и обратной по­лярности. При прямой полярности отрицательный полюс электрической цепи (катод) находится на электроде, а по­ложительный (анод) — на основном металле. При обрат­ной полярности анод на электроде, а катод на изделии.

Дуги различают и в зависимости от типа применяемого электрода: дуга между плавящимся электродом (металли­ческим) и неплавящимся (вольфрамовый, угольный и т. д.).

а — прямого действия; б — косвенного действия;

в — комбинированного действия

Рисунок 10 - Электрическая дуга

При сварке плавящимся электродом сварной шов обра­зуется за счет расплавления электрода и кромок сварива­емого (основного) металла. При сварке неплавящимся элек­тродом шов заполняется металлом свариваемых частей.

При сварке плавящимся электродом его необходимо непрерывно подавать (по мере оплавления) в зону сварки и по возможности поддерживать постоянную длину дуги. Длиной дуги называется расстояние от конца электрода до поверхности кратера (углубления) в сварочной ванне.

При сварке неплавящимся электродом длина дуги с течением времени возрастает, поэтому нужна коррек­тировка.

Дуга считается короткой, если ее длина составляет 2…4 мм, нормальной — при длине 4-6 мм; при длине дуги свыше 6 мм дуга называется длинной.

В зависимости от того, в какой среде происходит дуго­вой разряд, различают три основные разновидности:

— так называемую открытую дугу, горящую в возду­хе, где в состав газовой среды входит воздух с примеся­ми паров свариваемого металла, материала электродов и материала электродных покрытий;

— закрытую дугу, горящую под флюсом, в которой газовая среда зоны дуги состоит из паров основного ме­талла, присадочной проволоки и защитного флюса;

— дугу, горящую в среде защитных газов (также яв­ляется закрытой дугой). В этом случае газовая среда в зоне других состоит из защитного газа, паров основного металла и металла проволоки.

Структура сварочной дуги

Различные вещества по-разному проводят электричес­кий ток. Проводимость всякого вещества зависит от ко­личества свободных электрических зарядов (электродов и ионов), которые находятся в этом веществе. Кроме того, проводимость определяется скоростью, с которой эти сво­бодные частицы передвигаются. То есть, чем больше в материале имеется свободных носителей зарядов и чем более они подвижны, тем больше проводимость этого ма­териала и тем меньше его сопротивление.

Газы при нормальных условиях не проводят электри­ческого тока. Данный факт объясняется тем, что в обыч­ных условиях газы состоят из нейтральных молекул и ато­мов, а следовательно, не являются носителями зарядов.

Газы начинают проводить электрический ток, если в их составе появляются электроны, положительные и от­рицательные ионы. Это становится возможным при не­которых условиях.

Процесс образования в газе электронов и ионов назы­вается ионизацией, а газ, в котором имеются заряжен­ные частицы - ионизированным.

Чтобы освободить электрон от связи с атомным ядром (в результате чего и происходит образование положитель­ного иона), нужно сообщить ему некоторое количество энергии. В результате электрон перейдет на новую орби­ту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии.

Работа, которую нужно совершить для того, чтобы об­разовать ион, называется работой ионизации(или по­тенциалом ионизации)и выражается в электрон-воль­тах (ЭВ). Энергия, сообщенная электрону для приобрете­ния скорости, необходимой для отрыва его от атома, на­зывается потенциалом возбуждения и также измеряет­ся в электрон-вольтах.

Различные химические элементы имеют разную вели­чину потенциалов возбуждения и ионизации (от 3,9 до 25,5 ЭВ). Наименьшими потенциалами ионизации обла­дают щелочноземельные металлы — такие элементы спо­собствуют зажиганию к устойчивому горению дуги, по­этому их вводят в состав электродных покрытий.

Положительные и отрицательные ионы, а также сво­бодные электроны в газах возникают при некоторых ус­ловиях:

— воздействии на них электрического поля;

— тепловом воздействии;

— прохождении через газ рентгеновских, ультрафиолетовых и космических лучей.

Сварочные дуги классифицируются по ряду признаков:

Соответственно различают виды ионизации газов: со­ударением частиц, фотоионизацию (ионизация фотона­ми), термическую, электрическим полем.

Дуговой промежуток в сварочной дуге разделяется на три области (рис. 11): катодную, анодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле возникают активные пятна, которые представляют собой наиболее нагретые участки и проводят весь ток дуги. Ак­тивные пятна называются соответственно анодным и ка­тодным.

С катодного пятна происходит дополнительный выход электродов, кроме образовавшихся при ионизации в меж­дуэлектродном пространстве. Электроны, которые выхо­дят с поверхности электрода, называются первичными. Выход этих электронов происходит за счет различных факторов: термоэлектронной эмиссии (испускания), автоэлектронной эмиссии, ионизации на катоде.

1 — катодная область; 2 — столб дуги; 3 — вводная область

Рисунок 11 - Схема строения сварочной дуги

Термоэлектронная эмиссия электронов происходит в результате нагрева поверхности электрода до высокой температуры, при которой электроны могут приобрести скорость, достаточную для отрыва их от атомов. Элект­роны открываются от поверхности катода и устремляют­ся к аноду. Чем больше температура нагрева электрода, тем больше количество вырываемых электронов.

Автоэлектронная эмиссия электронов происходит из-за высокой напряженности электрического поля. Чем больше разность потенциалов между электродами, тем больше испускание с катода первичных электродов. Ионизация на катоде происходит в результате соударе­ний с электронами положительных ионов. Положительные ионы образуются в результате ионизации в столбе дуги и притягиваются к катоду. Ионизация может происходить также в результате воздействий излучения (фотоионизация).

В столбе дуги происходит образование так называемых вторичныхэлектронов, а также положительных ионов (вторичными называют электроны, выбитые с орбит ней­тральных атомов, находящихся в междуэлектродном про­странстве).

Таким образом, в столбе дуги электроны движутся к аноду, положительные ионы — к катоду. При этом ионы и электроны могут снова соединяться, образуя нейтраль­ные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации процессы образования и ис­чезновения заряженных частиц в дуге уравновешивают­ся и степень ионизации нагретого газа остаётся посто­янной.

Анодная область дуги включает в себя анодное пятно и приэлектродную область. Анодное пятно бомбардиру­ют электроны, в результате чего образуются ионы. От сильной бомбардировки анодная область всегда имеет форму, напоминающую форму чаши (или — выгнутой сферы) и называемую сварочным кратером.

Способы зажигания сварочной дуги

Дуга может возникать либо в случае пробоя газа (воз­духа), либо в результате соприкосновения электродов с последующим их отведением на расстояние нескольких миллиметров.

Первый способ (пробой воздуха) возможен только при больших напряжениях, например, при напряжении 1000 В и зазоре между электродами в 1 мм. Такой способ возбуждения дуги обычно не применяется из-за опаснос­ти высокого напряжения.

При питании дуги током высокого напряжения (более 3000 В) и высокой частоты (150-250 кГц) можно полу­чить пробой воздуха при зазоре между электродом и де­талью до 10 мм. Такой способ зажигания дуги менее опа­сен для сварщика и его нередко используют. (Для этого в сварочную цепь необходимо включить осциллятор.)

Второй способ зажигания дуги требует разности по­тенциалов между электродом и изделием 40—60 В, поэто­му применяется чаще всего.

Когда электрод соприкасается с изделием, создается замкнутая сварочная цепь. В момент, когда электрод от­водится от изделия, электроды, которые находятся на на­гретом от короткого замыкания катодном пятне, отрыва­ются от атомов и электростатическим притяжением дви­гаются к аноду, образуя электрическую дугу. Дуга быстро стабилизируется (в течение микросекунды). Электроны, которые выходят с катодного пятна, ионизируют газовый промежуток и в нем появляется также полный ток. Скорость зажигания дуги зависит от характеристик источника питания, от силы тока в момент соприкосно­вения электрода с изделием, от времени их соприкосно­вения, от состава газового промежутка.

Чем меньше потенциал ионизации вещества между электродами (или между электродом и изделием), тем быстрее и в большем количестве возникнут ионы и тем быстрее произойдет переход от электронной дуги к элек­тронно-ионной.

На скорость возбуждения дуги влияет, в первую оче­редь, величина сварочного тока. Чем больше величина тока (при одном и том же диаметре электрода), тем боль­шим становится величина сечения катодного пятна и тем большим будет электродный ток в начале зажигания дуги. Большой электронный ток вызовет быструю ионизацию и переход к устойчивому дуговому разряду.

При уменьшении диаметра электрода (т. е. при увели­чении плотности тока) время перехода к устойчивому ду­говому разряду еще больше сокращается.

На скорость зажигания дуги влияют также полярность и род тока. При постоянном токе и обратной полярности (т. е. плюс источника тока подключается к электроду) ско­рость возбуждения дуги выше, чем при переменном токе.

Повторные зажигания сварочной дуги после ее угаса­ния из-за коротких замыканий каплями электродного металла будут возникать самопроизвольно, если темпе­ратура торца электрода будет достаточно высокой.

Перенос расплавленного металла сварочной дугой

В процессе сварки плавящимся электродом на его кон­це под действием высокой температуры происходит расплавление металла, образование капли, отрыв этой кап­ли и перенос ее на изделие. В зависимости от размера капель и скорости их образования различают капельный и струйный перенос электродного металла на изделие (рис. 12).

а— крупнокапельный; б— струйный; I—IV— последовательные этапы

процесса; d_К — диаметр капли; d_Э — диаметр электрода

Рисунок 12 - Процесс переноса электродного металла на изделие при короткой дуге

Размеры капель и скорость их образования зависят от вида дуговой сварки, силы тока, длины дуги, диаметра электродов и других факторов.

При ручной дуговой сварке в виде капель переносится примерно 95% электродного металла, остальные 5% со­ставляют брызги металла и пары, значительная часть которых осаждается на изделие.

При дуговой сварке штучными электродами происхо­дит капельный перенос без замыкания каплями дугового промежутка. В этих условиях большая часть капель ока­зывается заключенными в оболочку из шлака, который образуется при расплавлении электродного покрытия. Тот же процесс наблюдается при сварке в защитном газе и сварке порошковой проволокой.

При струйном переносе электродного металла образу­ются мелкие капли, которые непрерывно следуют одна за другой, составляя цепочку (струю). Струйный пере­нос металла возникает при большой плотности тока (на­пример, при сварке проволокой малого диаметра). Так, при полуавтоматической сварке в аргоне проволокой ди­аметром 1,6 мм струйный перенос металла начинается при токе величиной около 300 А. При сварке на токах, ниже этого значения, наблюдается капельный перенос металла.

Как правило, струйный перенос приводит куменьше­нию выгорания легирующих примесей в сварочной про­волоке и повышению чистоты метала шва. Кроме того, скорость расплавления сварочной проволоки увеличива­ется. Таким образом, струйный перенос металла имеет ряд преимуществ перед капельным переносом.

При сварке штучными электродами струйный перенос электродного металла невозможен из-за невысокой плот­ности тока на электроде (порядка 10—20А/мм²).

Литература:1 осн. [26-44], 2 осн.[35-47], 1-3 доп.

Контрольные вопросы

1. Что называют сварочной дугой?

2. Какие разновидности сварочных дуг существуют и как они классифицируются?

3. Из каких участков состоит дуговой промежуток?

4. Какие способы зажигания дуги Вам известны?

5. Чем отличаются капельный и струйный перенос электро­дного металла?

6. По каким признакам классифицируется сварочная дуга?

7. При какой длине дуги она считается нормальной?

8. Какие виды ионизации газов Вам известны?

9. За счет чего происходит термоэлектронная эмиссия электронов?