Урок 45-46 Сварочные свойства дуги

Падение напряжения в катодной области Uк составляет порядка 12–17 В. Анодная область состоит из анодного пятна на поверхности анода и части дугового промежутка, примыкающего к нему. Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Оно имеет примерно такую же температуру, как и катодное пятно, но в результате бомбардировки электронами на нем выделяется больше теплоты, чем на катоде. Анодная область также характеризуется повышенной напряженностью. Падение напряжения в ней Ua составляет порядка 2–11 В. Протяженность этой области также мала. Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка, расположенную между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц здесь является ионизация газа. Этот процесс происходит в результате соударения заряженных (в первую очередь электронов) и нейтральных частиц газа. При достаточной энергии соударения из частиц газа происходит выбивание электронов и образование положительных ионов. Такую ионизацию называют ионизацией соударением. Соударение может произойти и без ионизации, тогда энергия соударения выделяется в виде теплоты и идет наповышение температуры дугового столба. Образующиеся в столбе дуги заряженные частицы движутся к электродам: электроны – к аноду, ионы – к катоду. Часть положительных ионов достигает катодного пятна, другая же часть не достигает и, присоединяя к себе отрицательно заряженные электроны, ионы становятся нейтральными атомами. Такой процесс нейтрализации частиц называют рекомбинацией. В столбе дуги при всех условиях горения ее наблюдается устойчивое равновесие между процессами ионизации и рекомбинации. В целом столб дуги не имеет заряда. Он нейтрален, так как в каждом сечении его одновременно находятся равные количества противоположно заряженных частиц. Температура столба дуги достигает 6000–8000 °С и более. Падение напряжения в нем (Uc) изменяется практически линейно по длине, увеличиваясь с увеличением длины столба. Падение напряжения зависит от состава газовой среды и уменьшается с введением в нее легко ионизующихся компонентов. Такими компонентами являются щелочные и щелочно-земельные элементы (Са, Na, К и др.). Общее падение напряжения в дуге UД=Uк+Ua+Uc. Принимая падение напряжения в столбе дуги в виде линейной зависимости, его можно представить формулой Uc=Elc, где Е – напряженность по длине, lc –длина столба. Значения Uк, Ua, E практически зависят лишь от материала электродов и состава среды дугового промежутка и при их неизменности остаются постоянными при разных условиях сварки. В связи с малой протяженностью катодной и анодной областей можно считать практически lc=lД. Тогда получается выражение UД a blД, (2.1) показывающее, что напряжение дуги прямым образом зависит от ее длины, где a=Uк+Ua; b=E. Непременным условием получения качественного сварного соединения является устойчивое горение дуги (ее стабильность). Под этим понимают такой режим ее существования, при котором дуга длительное время горит при заданных значениях силы тока и напряжения, не прерываясь и не переходя в другие виды разрядов. При устойчивом горении сварочной дуги основные ее параметры – сила тока и напряжение – находятся в определенной взаимозависимости. Поэтому одной из основных характеристик дугового разряда является зависимость ее напряжения от силы тока при постоянной длине дуги. Графическое изображение этой зависимости при работе в статическом режиме (в состоянии устойчивого горения дуги) называют статической вольтамперной характеристикой дуги (рис. 2.2). Рис. 2.2. Статическая вольтамперная характеристика дуги С увеличением длины дуги ее напряжение возрастает и кривая статической вольтамперной характеристики поднимается, выше с уменьшением длины дуги опускается ниже, качественно сохраняя при этом свою форму. Кривую статической характеристики можно разделить на три области: падающую, жесткую и возрастающую. В первой области увеличение тока приводит к резкому падению напряжения дуги. Это обусловлено тем, что с увеличением силы тока увеличивается площадь сечения столба дуги и его электропроводность. Горение дуги на режимах в этой области отличается малой устойчивостью. Во второй области увеличение силы тока не связано с изменением напряжения дуги. Это объясняется тем, что площадь сечения столба дуги и активных пятен изменяется пропорционально силе тока, в связи с чем плотность тока и падение напряжения в дуге сохраняются постоянными. Сварка дугой с жесткой статической характеристикой находит широкое применение в сварочной технологии, особенно при ручной сварке. В третьей области с увеличением силы тока напряжение возрастает. Это связано с тем, что диаметр катодного пятна становится равным диаметру электрода и увеличиваться далее не может, при этом в дуге возрастает плотность тока и падает напряжение. Дуга с возрастающей статической характеристикой широко используется при автоматической и механизированной сварке под флюсом и в защитных газах с применением тонкой сварочной проволоки. Рис. 2.3. Статистическая вольтамперная характеристика дуги при разных скоростях подачи электродной проволоки: а – малая скорость; б – средняя скорость, в – большая скорость При механизированной сварке плавящимся электродом иногда применяют статическую вольтамперную характеристику дуги, снятую не при постоянной ее длине, а при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 2.3). Как видно из рисунка, каждой скорости подачи электродной проволоки соответствует узкий диапазон токов с устойчивым горением дуги. Слишком малый сварочный ток может привести к короткому замыканию электрода с изделием, а слишком большой – к резкому возрастанию напряжения и ее обрыву.

Вопросы для самоконтроля

1. Определение сварочной дуги.

2. Строение сварочной дуги и процессы, происходящие в отдельных областях.

3. Определение вольт-амперной характеристики дуги и их классификация.

4. Причины возникновения магнитного дутья и меры предотвращения.

. Урок№47-48   ОСОБЕННОСТИ ДУГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью. При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь, устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через ноль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 2.4). Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышен- 39 ном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги. Рис. 2.4. Изменение полярности при горении дуги на переменном токе Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легкоионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуги переменного тока повышается. С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свойствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей постоянного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напряжения и тока от горизонтальной оси (рис. 2.5). Наличие в сварочной це- 40 пи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышается температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому приходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей. При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряжения располагаются практически симметрично относительно оси абсцисс. Рис. 2.5. Постоянная составляющая тока в сварочной цепи при горении дуги на переменном токе

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДУГИ Под технологическими свойствами сварочной дуги понимают совокупность ее теплового, механического и физико-химического воздействия на электроды, определяющие интенсивность плавления электрода, характер его переноса, проплавление основного металла, формирование и качество шва. Технологические свойства дуги взаимосвязаны и определяются параметрами режима сварки. Важными технологическими характеристиками дуги являются зажигание и стабильность горения дуги. Условия зажигания и горения дуги зависят от рода тока, полярности, химического состава электродов, межэлектродного промежутка и его длины. Для надежного обеспечения процесса зажигания дуги необходимо подведение к электродам достаточного напряжения холостого хода источника питания дуги, но в то же время безопасного для работающего. Для сварочных источников напряжение холостого хода не превышает 80 В на переменном токе и 90 В на постоянном. Обычно напряжение зажигания дуги больше напряжения горения дуги на переменном токе в 1,2–2,5 раза, а на постоянном токе – в 1,2–1,4 раза. Дуга зажигается от нагрева электродов, возникающего при их соприкосновении. В момент отрыва электрода от изде- 41 лия с нагретого катода происходит электронная эмиссия. Электронный ток ионизует газы и пары металла межэлектродного промежутка, и с этого момента в дуге появляются электронный и ионный токи. Время установления дугового разряда составляет 10-5 –10-4. Поддержание непрерывного горения дуги будет осуществляться, если приток энергии в дугу компенсирует ее потери. Таким образом, условием для зажигания и устойчивого горения дуги является наличие специального источника питания электрическим током. Вторым условием является наличие ионизации в дуговом промежутке. Степень протекания этого процесса зависит от химического состава электродов и газовой среды в дуговом промежутке. Степень ионизации выше при наличии в дуговом промежутке легкоионизующихся элементов. Горящая дуга может быть растянута до определенной длины, после чего она гаснет. Чем выше степень ионизации в дуговом промежутке, тем длиннее может быть дуга. Максимальная длина горящей без обрыва дуги характеризует важнейшее технологическое свойство ее – стабильность. Стабильность дуги зависит от целого ряда факторов: температуры катода, его эмиссионной способности, степени ионизации среды, длины дуги и др. К технологическим характеристикам дуги относятся также пространственная устойчивость и эластичность. Под этим понимают способность сохранения дугой неизменности пространственного положения относительно электродов в режиме устойчивого горения и возможность отклонения и перемещения без затухания под воздействием внешних факторов. Такими факторами могут быть магнитные поля и ферромагнитные массы, с которыми дуга может взаимодействовать. При этом взаимодействии наблюдается отклонение дуги от естественного положения в пространстве. Отклонение столба дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при сварке постоянным током, называют магнитным дутьем (рис. 2.6). Рис. 2.6. Отклонение дуги магнитным полем при сварке: Η – направление магнитного поля; α – угол отклонения дуги 42 Возникновение его объясняется тем, что в местах изменения направления тока создаются напряженности магнитного поля. Дуга является своеобразной газовой вставкой между электродами и как любой проводник взаимодействует с магнитными полями. При этом столб сварочной дуги можно рассматривать в качестве гибкого проводника, который под воздействием магнитного поля может перемещаться, как любой проводник, деформироваться и удлиняться. Это приводит к отклонению дуги в сторону, противоположную большей напряженности. При сварке переменным током в связи с тем, что полярность меняется с частотой тока, это явление проявляется значительно слабее. Отклонение дуги также имеет место при сварке вблизи ферромагнитных масс (железо, сталь). Это объясняется тем, что магнитные силовые линии проходят через ферромагнитные массы, обладающие хорошей магнитной проницаемостью, значительно легче, чем через воздух. Дуга в этом случае отклонится в сторону таких масс. Возникновение магнитного дутья вызывает непровары и ухудшение формирования швов. Устранить его можно за счет изменения места токоподвода к изделию или угла наклона электрода, временным размещением балластных ферромагнитных масс у сварного соединения, позволяющих выравнивать несимметричность магнитных полей, а также заменой постоянного тока переменным. ВОПРОСЫ 1. Что называют длиной дуги? 2. Какой процесс называют ионизацией? 3. Что понимают под статической вольтамперной характеристикой дуги? 4. Каковы особенности горения дуги на переменном токе? 5. Что называют напряжением холостого тока источника питания дуги UXX? 6. Что относят к технологическим характеристикам дуги? 7. В каких случаях используют прямую полярность, и в каких обратную? 8. Назовите основные процессы, протекающие в различных областях дуги.

 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ. СВАРОЧНАЯ ДУГА КАК ИСТОЧНИК НАГРЕВА Сварочная дуга является мощным концентрированным источником теплоты. Электрическая энергия, потребляемая дугой, в основном превращается в тепловую энергию. Выделение тепловой энергии происходит в анодном и катодном активных пятнах и дуговом промежутке. При нагреве детали наибольшей интенсивности тепловой поток дуги достигает в центральной зоне активного пятна (рис. 3.1). а б Рис. 3.1. Удельный тепловой поток при нагреве дугой: а – при сварке покрытым электродом; б – при сварке под слоем флюса По мере удаления от центра пятна интенсивность теплового потока убывает. Распределение теплоты вдоль дугового промежутка происходит в соответствии с падением напряжения в его областях. Полная тепловая мощность дуги Q (Дж/с) зависит от силы сварочного тока IСВ (А) и напряжения дуги UД (В) СВUД Q I. (3.1) Однако не вся теплота дуги затрагивается на расплавление металла, т.е. на собственно сварку. Значительная часть ее расходуется на теплоотдачу в окружающую среду, расплавление электродного покрытия или флюса, разбрызгивание и т.п. Характер распределения полной тепловой мощности по отдельным статьям расхода определяют термином «тепловой баланс дуги». На рисунке 3.2 показаны схемы тепловых балансов дуги при ручной сварке покрытыми электродами и сварке под флюсом. 44 а б Рис. 3.2. Тепловой баланс при сварке: а – покрытым электродом; б – под слоем флюса Часть общей тепловой мощности дуги, расходуемой непосредственно на нагрев и расплавление основного и присадочного металлов, называют эффективной тепловой мощностью дуги q (Дж/с). Она всегда меньше полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги представляет собой количество теплоты, введенное дугой в свариваемую деталь в единицу времени. Она определяется уравнением СВUД Q I, (3.2) где η – коэффициент полезного действия дуги, представляющий собой отношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности дуги. Эффективная тепловая мощность зависит от способа сварки, материала электрода, состава покрытия или флюса и ряда других факторов. Данные значений для различных способов сварки приведены на таблице 3.1. Таблица 3.1 Значение η для различных способов сварки Способ сварки Значение η В защитном газе вольфрамовым электродом 0,6 Покрытым электродом 0,75 Под флюсом 0,8–0,9 Данные рисунка 3.2 и таблицы 3.1 показывают, что теплота дуги наиболее рационально используется при автоматической сварке под флюсом. ПЛАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛА ЭЛЕКТРОДА И ЕГО ПЕРЕНОС В ДУГЕ ПРИ СВАРКЕ Нагрев и плавление электрода осуществляются за счет энергии, выделяемой в активном пятне, расположенном на его торце, и теплоты, выделяющейся по закону Джоуля-Ленца, при протекании сварочного тока по вылету электрода. Вылетом называют свободный участок электрода от места контакта с токопроводом до его торца. В начальный момент ручной дуговой сварки вылет электрода составляет 400 мм и изменяется по мере плавления электрода, при автоматической сварке он равен 12–60 мм. Расплавляясь в процессе сварки, жидкий металл с торца электрода переходит в сварочную ванну в виде капель разного размера. За 1с может переноситься от 1–2 до 150 капель и более в зависимости от их размера. Независимо от основного положения сварки капли жидкого металла всегда перемещаются вдоль оси электрода по направлению к сварочной ванне. Это объясняется действием на каплю разных сил в дуге. В первую очередь к ним относятся гравитационная сила, электромагнитная сила, возникающая при прохождении по электроду сварочного тока, сила поверхностного натяжения, давление образующихся внутри капли газов, которые отрывают ее от электрода и дробят на более мелкие капли. Гравитационная сила проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз. Сила поверхностного натяжения обеспечивает капле сферическую форму. Электромагнитные силы играют важнейшую роль в отрыве и направленном переносе капель к сварочной ванне при сварке швов в любом пространственном положении. Электрический ток, проходя по электроду, создает вокруг него магнитное поле, оказывающее сжимающее действие. Сжатие расплавленной части электрода приводит к образованию шейки у места перехода к твердому металлу (рис. 3.3). Рис. 3.3. Схема сжимающего действия электромагнитных сил на жидкую каплю электродного металла 46 По мере уменьшения ее сечения и возрастания плотности тока жидкий металл формируется и отделяется в виде сферической капли. При этом капля за счет действия электромагнитной силы приобретает направленность движения к сварочной ванне. Сила внутреннего давления газов также участвует в переносе капли. Расплавленный металл на электроде сильно перегрет. Образующиеся в нем газы способствуют отрыву его от торца электрода и могут раздробить на более мелкие капли. При дуговой сварке плавящимся электродом различают три типа переноса электродного металла: крупнокапельный, мелкокапельный, или струйный, и перенос с образованием коротких замыканий дуги. Характер переноса капель с электрода в сварочную ванну зависит от силы сварочного тока и напряжения дуги. Установлено, что с увеличением силы тока размер капель уменьшается, а число их, образующихся в единицу времени, возрастает. С увеличением напряжения дуги, наоборот, размер капель увеличивается, а число их уменьшается. Так, при сварке голой проволокой на малых токах (плотностях) жидкий металл переходит в сварочную ванну в виде крупных капель с кратковременными замыканиями дугового промежутка, а при сварке покрытыми электродами и под флюсом на обычных плотностях тока – в виде мелких капель без замыкания дугового промежутка. При сварке в защитных газах и под флюсом тонкой проволокой на повышенных плотностях тока наблюдается мелкокапельный (струйный) перенос металла. В этом случае очень мелкие капли образуют сплошную коническую струю жидкого металла, переходящего в шов также без коротких замыканий, что уменьшает разбрызгивание металла и улучшает формирование швов. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ СВАРКИ Производительность процесса дуговой сварки оценивают по количеству проплавленного в единицу времени основного металла GПР и количеству наплавленного металла GН, определяемого как избыток массы конструкции после сварки по сравнению с массой до сварки. При сварке неплавящимся электродом соединений встык или с отбортовкой без присадочной проволоки важно обеспечить производительность проплавления, а при сварке плавящимся электродом – производительность проплавления и наплавки. При сварке плавящимся электродом производительность оценивают по количеству наплавленного электродного металла, определяемого по формуле: Н СВ 0 G I t Н, (3.3) 47 где IСВ – сила тока, A; t0 – основное время сварки (время чистого горения дуги), ч; αН – коэффициент наплавки, г/(А×ч). Коэффициент наплавки выражается отношением массы металла, наплавленного за единицу времени горения дуги, к единице силы сварочного тока. Обычно его представляют количеством наплавленного в течение 1 ч электродного металла (г), приходящимся на 1 А сварочного тока. При сварке покрытыми электродами коэффициент наплавки составляет 6–12 г/(А×ч), под флюсом – 10–16, в углекислом газе – 12–20, при электрошлаковой – 18–22 г/(А×ч). Производительность наплавки GH связана с производительностью расплавления электродной проволоки Р СВ 0 G I t P, (3.4) где αР – коэффициент расплавления электродной проволоки, г/(А×ч). Коэффициент расплавления выражают отношением массы электрода, расплавленного за единицу времени горения дуги, к единице силы сварочного тока. Обычно его представляют количеством расплавленного металла электрода в течение 1 часа, приходящимся на 1 А сварочного тока. Скорость расплавления электродного металла в значительной степени определяет производительность и эффективность процесса сварки, а коэффициент расплавления зависит от ряда факторов, определяющих условия сварки: рода и силы тока, полярности, напряжения дуги, состава и толщины покрытия электрода или флюса. Коэффициент расплавления при сварке плавящимся электродом в среде защитных газов заметно изменяется с изменением полярности тока и состава газа. При увеличении сварочного тока, как правило, коэффициент расплавления возрастает. Особенно это заметно при больших плотностях тока, применяемых при механизированной и автоматической сварке. В большинстве случаев при сварке коэффициент αН меньше коэффициента αР на величину потерь электродного металла, возникающих за счет угара и разбрызгивания. Эта часть металла, не участвующая в образовании шва, характеризуется коэффициентом потерь а, который выражают в процентах Н p Н G GG a (3.5) или 100. Н p Н a (3.6) Коэффициент потерь зависит от способа сварки, типа электрода и параметров режима. На потери значительное влияние оказывает характер капельного переноса электродного металла в дуге при сварке. Так, 48 при сварке покрытыми электродами он составляет 5–10 %, под флюсом – 1–5 %, в защитных газах – 1–5 %. В тех случаях, когда в составе электродных покрытий или наполнителе порошковой проволоки содержится значительное количество металлических составляющих, коэффициент а может иметь положительную величину, т.е. αН будет больше αР.\

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой сварочная дуга?

 2. Что понимают под тепловым балансом при различных видах дуговой сварки?

 3. Что является общей тепловой мощностью дуги и что эффективной?

4. Как закон Джоуля-Ленца влияет на процесс нагрева и плавления электрода?

5. Какие силы действуют на каплю расплавленного электродного металла?

 6. Что понимают под плотностью тока?

7. Как происходит расплавление электрода и перенос металла в дуге?

Основные типы капельного переноса.

 8. Как при ручной дуговой сварке покрытыми электродами увеличить производительность процесса?

 9. Что понимают под термином «коэффициент наплавки»?

 10. Чем отличаются коэффициент наплавки от коэффициента расплавления?