Аргонодуговая сварка W -электродом

 

Аргонодуговая сварка W-электродом широко применяется для сварки ответственных конструкций из коррозионно-стойких ста­лей, цветных металлов, алюминиевых и других сплавов. Сварку обычно ведут на постоянном токе прямой полярности (исключая сварку алюминия) от источника с крутопадающей внешней харак­теристикой.

Как уже отмечалось, W-дуги могут быть с катодным пятном и без катодного пятна (так называемые нормальные дуги). Несмотря на различие механизмов катодного процесса (заключающееся в значительной доле электростатической эмиссии в дугах с катод­ным пятном), статические характеристики и тепловые балансы обеих дуг весьма сходны. Нормальная дуга всегда может быть по­лучена на полукруглом торце катода из чистого вольфрама. При нагреве электрода дуга с катодным пятном может сама перейти в термоэмиссионную нормальную 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, иттрированного или лантанированного вольфрама, имеющего по сравнению с чистым вольфрамом пониженную рабочую 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 катодным 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 катодным пятном ниже температуры поверхности электрода нормальной W-дуги, где катодное пятно занимает всю сфериче­скую поверхность электродного стержня.

 

 

 

W -дуга в гелии

 

По теплофизическим свойствам гелий существенно отличается от аргона. Он имеет более высокий потенциал ионизации (24,6 вместо 15,7 эВ у аргона) и в 10-15 раз большую теплопроводность при температурах плазмы. Кроме того, он легче аргона примерно в 10 раз. Достаточно высокая для существования дуги ионизация аргона при (n_i =10¹⁷ см^-3) происходит примерно при температуре 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 не имеет места до весьма больших плотностей тока, так как значительная теплопроводность гелия дает низкий темпе­ратурный градиент по радиусу сечения столба дуги и весьма высо­кое внутреннее давление р = пкТ.

Высокая средняя электриче­ская напряженность Е в плазме гелия, достигающая 2 В/мм про­тив 0,8... 1,2 В/мм в плазме аргона, обусловливает высокое напряже­ние на дуге (рис. 2.55, б). Вольт-амперные характеристики W-дуги в гелии и других инертных газах (аргоне, неоне, криптоне, ксеноне) приведены на рис. 2.56. Скачок вольт-амперной 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

 

Уникальность W-дуг среди газовых разрядов обусловлена тем, 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. W-дуга может гореть при U _д ≈ 9...11 В, например в пото­ке аргона, имеющем потенциал ионизации 15,7 В и минимальный потенциал возбуждения 11,5 В. В столбе дуги спектроскопиче­скими исследованиями 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 от 20 до 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 доля анодной теплоты достигает от 80 до 85 % общей мощности дуги.

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

 

    2.11.4. Дуга с полым неплавящимся катодом в вакууме

 

Дуговой разряд с полым катодом (ДРПК) в вакууме применя­ется для сварки ответственных изделий из химически активных металлов и сплавов. Сварку ведут на постоянном токе прямой по­лярности, от источника с крутопадающей внешней характеристи­кой. Процесс сварки осуществляется стабильно в диапазоне давле ний в камере от 1 до 10^-2 Па при подаче (через полость катода) аргона 1...2 мг/с (2...4 л/ч). Со­гласно классификации дуговых режимов работы ДРПК, исполь­зуемый для сварочных процессов (рис 2.57), относится к так назы­ваемому нормальному режиму (I ≥ 10 А, подача аргона через по­лость катода G ≥ 0,05 мг/с, давле­ние в камере р _к ≤ 10 Па).

Характерной особенностью нормального режима является значительное проникание плазмы разряда в полость катода и немо­нотонное распределение темпера­туры по длине катода с максиму­мом, расположенным на некото­ром расстоянии r от выходного торца катода (рис. 2.58). Участок вблизи максимума температуры нагрева полого катода принято называть активной зоной (A3).

Наблюдения за положением A3 показали, что в случае изме­нения какого-либо из параметров режима ДРПК происходит увели­чение статического давления р _∞ перед входом в полый катод (например, увеличение подачи плазмообразующего газа или тока) и A3 смещается в сторону его выходного сечения. Вместе с тем ста­тическое давление р _∞ в A3 практически не зависит от этих пара­метров и изменяется в диапазоне р _∞ = 900... 1100 Па. При этом плазма как бы вытесняется из катодной полости, а напряжение ДРПК несколько снижается. Положение A3 существенно зависит от тока ДРПК. При I = 10...20 А центр A3 уходит в глубь катода на 1,5...2 см и более, а в случае тока свыше 50 А он смещается ближе к выходному торцу на расстояние 0,4...0,8 см от него.

С увеличением длины дугового промежутка (расстояние от вы­ходного торца катода до анода) от 0,5 до 1,0 см центр A3 смещает­ся ближе к выходному сечению катода. Особенно это заметно при токах ДРПК свыше 50 А, когда столб дуги имеет цилиндрическую форму. При дальнейшем увеличении длины дугового промежутка смещение положения центра A3 практически не наблюдается.

Основная доля полной мощности ДРПК (от 70 до 90 %) выде­ляется на положительном электроде, т. е. на аноде. С увеличением тока дуги доля выделяющейся на аноде мощности, как правило, увеличивается и примерно равна 90 %. По сравнению со свароч­ными дугами при атмосферном давлении ДРПК в вакууме являет­ся по доле выделяющейся на аноде мощности одним из самых эф­фективных источников энергии.

Энергетический баланс полого катода показал, что потери мощности в нем происходят за счет излучения, эмиссии электро­нов, теплопроводности и испарения материала катода. Наиболее существенны потери на излучение, составляющие 45...75 % пол­ной мощности, выделяющейся на катоде за счет бомбардировки ионами и выделения джоулевой теплоты. Потери на теплопровод­ность не превышают 8... 14 %; потери на эмиссию электронов со­ставляют 17...40 % мощности, выделяющейся на катоде. Суммар­ная мощность потерь в полом катоде с увеличением тока как бы достигает своего насыщения и составляет по отношению к полной мощности дугового разряда 7... 13 %. Так, мощность потерь в по­лом катоде, выполненном из иттрированного вольфрама ЭВИ-2, длиной 35 мм с диаметром полости 3 мм и толщиной стенки 0,8... 1 мм на токах 250...350 А практически остается неизменной и равна примерно 700...780 Вт. В этом случае потери в полом ка­тоде составляют 7...8 % полной мощности дугового разряда.

Потери в столбе ДРПК в основном определяются давлением в камере и характером процессов в межэлектродном промежутке. При давлении в камере (2...9)•10^-2 Па, которое обычно применя­ют в технологических процессах, потери во внешнем столбе ДРПК не превышают 2...3 % полной мощности дугового разряда. Мощ­ность, выделяющаяся во внешнем столбе, передается в основном излучением в окружающую среду и на анод. Таким образом, отно­сительная суммарная мощность потерь в ДРПК сравнительно не­высока и на токах свыше 150 А, как правило, составляет 10... 15 %.

ДРПК в вакууме на токах свыше 200 А отличается весьма вы­сокой концентрацией энергии, что приближает его к электронно­лучевому источнику энергии для сварки.

 

Плазменные сварочные дуги