Главная → Статьи

Сварочная дуга

Условия горения дуги. Газы и пары при обычных температуре и давлении не проводят электрический ток. Электропроводными они становятся при наличии в них частиц, несущих электрические заряды (положительные и отрицательные). В обычном состоянии в воздухе имеется только незначительное число ионов и электронов. В отличие от воздуха в металлах всегда есть некоторое число свободных электронов, переносящих электрическую энергию и делающих их электропроводными

Сварочная дуга представляет собой мощный и длительный электрический разряд в газовой среде между электродом и свариваемым изделием (между двумя электродами), сопровождающийся выделением большого количества тепла и световым излучением. Для возникновения электрического разряда газовый промежуток между электродом и свариваемым изделием должен быть ионизирован. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда и газ становится электропроводным. Процесс ионизации воздушного промежутка протекает следующим образом.

Сварочная дуга возбуждается при касании концом электрода свариваемого изделия и последующем отрыве электрода от изделия. Вследствие большого омического сопротивления в месте контакта свариваемое изделие и промежуток между ними сильно разогреваются. В металле электрода имеются отрицательно заряженные свободные электроны, а в свариваемом металле — положительно заряженные ионы. Под действием нагрева (термоэлектронная эмиссия), энергии излучаемого света (фотоэлектронная эмиссия), электрического поля, появляющегося при соединении электрода с источником электрического тока (автоэлектронная эмиссия), притяжения положительно заряженных ионов свариваемого металла электроны с конца электрода устремляются к свариваемому изделию. В воздушном промежутке электроны, сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха и паров металла, выбивают из них электроны, образуя ионы и свободные электроны. Воздух между электродом и свариваемым изделием становится проводником электрического тока, т. е. ионизируется. В результате удара кинетическая энергия электронов и ионов превращается в тепловую и поддерживает высокую температуру электрода и свариваемого изделия. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока горит дуга.

Возбуждение дуги и перенос металла. При касании электрода и свариваемого изделия происходит короткое замыкание сварочной цепи. Вследствие того, что электрод и свариваемое изделие не имеют идеально ровных поверхностей, они соприкасаются отдельными выступами. Благодаря высокой плотности тока в этом месте выделяется большое количество тепла и выступы плавятся, образуя тонкую прослойку жидкого металла. Последующий отвод электрода от изделия способствует образованию в жидком металле шейки. Плотность тока и температура еще более возрастают. Расплавленный металл шейки испаряется, она разрывается, образуя сварочную дугу.

Под действием сварочной дуга электрод плавится, расплавленный металл стекает в сварочную ванну в виде капель. При ручной сварке покрытыми электродами в сварочную ванну переносится 90% электродного металла, 10% уходит на брызги и пары. Электрод длиной 450 мм расплавляется в течение 1,5—2 мин. В секунду с электрода переносится 20—50 капель металла. Чем больше сварочный ток и чем толще электродное покрытие, тем больше металла переносится в виде потока мелких’ капель. У электродов с тонким покрытием, а также при сварке на ‘малых токах перенос металла крупнокапельный.

Строение, свойства и виды сварочной дуги. Электрод, присоединенный к положительному полюсу источника питания сварочной дуги, называют анодом, а к отрицательному полюсу — катодом. При сварке на постоянном токе катодам может быть свариваемое изделие и электрод, т. е. сварочная дуга может иметь прямую и обратную полярность. При прямой полярности электрод соединен с минусом, а свариваемое изделие — с плюсом источника питания дуги. При обратной полярности это соединение выполнено наоборот. С помощью сварочной дуги обратной полярности уменьшают выделение тепла на свариваемом изделии (тонколистовой и легкоплавкий металл; легированные стали, чувствительные к перегреву) .

Сварочная дуга (рис. 9) состоит из катодной, анодной областей и столба дуги. Катодная область расположена у катода и является источником электронов, ионизирующих дуговой промежуток. Предполагают, что длина катодной области равна длине свободного пробега электрона в газе. Анодная область расположена у анода и концентрирует электроны. Пространство, ограниченное катодной и анодной областями, называется столбом дуги. Столб дуги нейтрален — суммы зарядов отрицательных и положительных частиц равны. Температура катодной области достигает 3200°С, а анодной — 3400°С. Разница температур обусловлена тем, что катодом выбрасывается больше заряженных частиц, которые сильно бомбардируют анод, в результате чего выделяется большое количество тепла. В столбе дуги температура колеблется в пределах 5000—8000 °С. При сварке на постоянном токе на аноде выделяется 43% тепла сварочной дуги, на катоде — 36%, в столбе дуги — 21%. Длина дуги равна расстоянию между торцом электрода и поверхностью расплавленного металла. У покрытых электродов 0 4—5 мм длина устойчиво горящей нормальной дуги составляет 5—6 мм. Такая дуга считается короткой. Дуга длиной более 6 мм называется длинной. Горит она неустойчиво, металл электрода плавится неравномерно, капли металла больше подвергаются воздействию кислорода и азота воздуха, наплавленный металл пористый с неровной поверхностью.

Рис. 9. Схема сварочной дуги
1,3 — анодное и катодное пятна; 2, 4 — анодная и катодная области; 5 — столб дуги

Под действием тепла дуги металл свариваемого изделия расплавляется на определенную глубину, которая называется глубиной проплавления или проваром, а жидкий расплавленный металл — сварочной ванной. Давление газов сварочной дуги отбрасывает расплавленный металл со дна ванны на боковую ее поверхность. При этом образуется углубление — кратер. В конце сварки необходимо с помощью специальных технологических приемов заделать кратер, так как в нем, как правило, обнаруживаются усадочные рыхлости, часто переходящие в трещины.

Сварочные дуги подразделяются на прямые, косвенные и комбинированные. Прямой считается дуга, которая горит между электродом и свариваемым изделием. Дугу, горящую между двумя электродами над свариваемым изделием, называют косвенной. Комбинированная сочетает в себе прямую и косвенную дуги.

Дуга переменного и постоянного тока. Сварочная дуга может питаться постоянным и переменным током. В первом и во втором случаях имеются свои преимущества и недостатки.

При сварке дугой переменного тока промышленной оягтоты катодные и анодные пятна меняются местами 100 раз в 1 с. В процессе перехода тока через нулевое -значение и при изменении полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет, что приводит к снижению температуры дугового промежутка. Одновременно с этим падает температура активных пятен, и особенно на активном пятне сварочной ванны следствие отвода тепла в изделие. Повысить устойчивость горения дуги переменного тока можно увеличением частоты его с помощью специальных генераторов и осцилляторов Кроме того, для повышения устойчивости горения дуги -в покрытие электродов вводят элементы с низким потенциалом ионизации (калий, натрий, кальций), которые облегчают возбуждение дуги.

Дуга постоянного тока горит значительно устойчивее. Однако она имеет существенный недостаток — магнитное дутье. Сварочную дугу можно рассматривать как газовый проводник электрического тока, который под действием электромагнитных сил может отклониться от своего нормального положения. Ток, проходя но сварочным проводам, электроду и дуге, создает вокруг дуги и в свариваемом металле магнитные поля. Когда эти поля расположены несимметрично относительно оси дуги, они могут отклонять дугу как гибкий проводник тока. А это затрудняет сварку и даже может привести к обрыву дуги. При сварке на переменном токе явление магнитного дутья значительно слабее. К преимуществам источников переменого тока можно отнести меньшую их стоимость и простоту в эксплуатации.

Меры борьбы с магнитным дутьем. Сила магнитного поля при сварке пропорциональна квадрату тока. Вследствие этого магнитное дутье особенно заметно при сварке на больших токах (300—400А). Однако причиной образования магнитного дутья служит только неравномерное расположение магнитного поля относительно сварочной дуги. Распределение магнитного поля в сварочном контуре зависит от места подвода тока к свариваемому изделию, его конфигурации и наличия зазоров в свариваемом стыке (рис. 10).

В случае присоединения обратного провода сварочной цепи в непосредственной близости от места сварки появление магнитного дутья исключается, так как образуется симметричное магнитное поле. При удалении места присоединения от места сварки образуется несимметричное магнитное поле. Важным фактором образования несимметричного магнитного поля являются большие ферромагнитные массы, расположенные рядом со сварочной ванной (массивные металлические изделия). Массивные ферромагнитные изделия имеют большую магнитную проницаемость по сравнению с воздухом и поэтому магнитные силовые линии устремляются в среду с меньшим сопротивлением, отклоняя при этом сварочную дугу.

Рис. 10. Места подвода тока относительно сварочной дуги
а — ток подведен к изделию слева от дуги; 6 — ось подведенного тока совпадает с осью сварочной дуги; в — ток подведен к изделию справа от дуги

Ослабить действие магнитных полей можно, изменив, угол наклона электрода таким образом, чтобы нижний конец электрода был направлен в сторону действия магнитного дутья, или применяя сварку короткой дугой, так как чем короче дуга, тем меньше возможность ее отклонения.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги.

Для горения дуги на электроде и свариваемом изделии должно поддерживаться напряжение (напряжение на дуге), которое прямо пропорционально длине дуги. Напряжение на дуге равно сумме падений напряжения в катодной, анодной областях и столбе дуги. Для возбуждения дуги необходимо более высокое напряжение по сравнению с напряжением, установившимся в процессе сварки. Это требуется для ионизации воздушного промежутка, который еще недостаточно нагрет, и для придания электронам большой скорости.

Для обеспечения устойчивого горения дуги ток и напряжение ее должны находиться в определенной зависимости, называемой статической вольт-амперной характеристикой (рис. 11).

Повышение силы тока в дуге до 100А вызывает резко? увеличение площади сечения столба дуги, что при-чнт ‘К возрастанию его электропроводности и уменьшению напряжения. В этом случае характеристика дуги нязпвается падающей. При дальнейшем повышении си-лы тока до 1000А площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально силе тока, поэтому плотность

Рис. 11. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

его и падение напряжения на всех участках столба дуги сохраняются постоянными. Такая характеристика именуется жесткой. Повышение силы тока в дуге свыше 1000А приводит к резкому возрастанию напряжения: увеличение плотности тока выше определенного значения уже не может увеличить сечение столба дуги. Поэтому напряжение на дуге повышается. Характеристику называют возрастающей.

—

Сварочная дуга —это мощный и длительный разряд электричества в газовой среде, сопровождающийся выделением большого количества тепла и световым излучением. При нормальной температуре и давлении газы, в том числе и воздух, не проводят электрический ток. Сварочная дуга возбуждается при соприкасании электрода с изделием. Большое омическое сопротивление приводит к тому, что электрод и воздушный промежуток, в месте контакта сильно нагреваются. Под действием тепла электроны из электрода (или свариваемого изделия), присоединенного к отрицательному полюсу источника питания, вырываются в воздушный промежуток, где сталкиваясь с атомами и молекулами воздуха, выбивают из них электроны и образует ионы и свободные электроны. Воздух между электродом и свариваемым изделием становится проводником электричества. Этот процесс продолжается до тех пор пока горит дуга. Электрод (свариваемое изделие), присоединенный к положительному полюсу источника питания сварочной дуги, называют анодом, а к отрицательному полюсу—катодом. Поверхность катода, из которой вылетают электроны, называют катодным пятном. При сварке на постоянном токе катодом может быть как электрод, так и свариваемое изделие. Сварочная дуга в данном случае может быть прямой и обратной полярности. При прямой полярности электрод присоединен к «минусу», а свариваемое изделие — к «плюсу» источника питания. При обратной полярности — наоборот. Сварочный ток обратной полярности применяют, когда нужно уменьшить выделение тепла на свариваемом изделии или при использовании электродов некоторых марок. На аноде выделяется 43% тепла, на катоде — 36%, в столбе дуги —21%.

Рис. 8. Схема строения сварочной дуги

рис. 9. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Сварочная дуга (рис. 8) состоит из катодной и анодной областей, столба дуги. Катодной областью называют пространство, расположенное у катода, анодной— у анода. Пространство между катодной и анодной областями называется столбом дуги. Расстояние между конечной точкой электрода и нижней точкой поверхности расплавленного металла свариваемого изделия составляет длину дуги. Дуга бывает короткая (3—6 мм) и длинная (более 6 мм). Плавление электрода при длинной дуге протекает неравномерно, увеличивается разбрызгивание, понижается производительность, капли расплавленного металла более подвержены окислению, дуга горит неустойчиво. На свариваемом изделии в ванне расплавленного металла под действием струи газов дуги образуется углубление, называемое кратером. Под действием тепла дуги металл свариваемого изделия расплавляется на определенную глубину, которая называется глубиной проплавления или проваром, а жидкий расплавленный металл — сварочной ванной.

Сварочная дуга может питаться переменным и постоянным током. При сварке на переменном токе промышленной частоты катодные и анодные пятна меняются местами 100 раз в 1 с. В процессе перехода тока через нулевое значение и при изменении полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет, что приводит к снижению температуры дугового промежутка. Одновременно с этим падает температура активных пятен, и особенно пятна сварочной ванны вследствие отвода тепла в изделие. Все это приводит к неустойчивому горению дуги. Дуга постоянного тока горит значительно устойчивее. Однако она имеет свой недостаток— магнитное дутье. Ток, проходя по сварочным проводам, электроду и дуге создает вокруг дуги и в свариваемом металле магнитные поля. Когда эти поля расположены несимметрично относительно оси дуги, они могут отклонять дугу как гибкий проводник тока, что не только затрудняет сварку, но и может привести к обрыву дуги. Распределение магнитного поля в сварочном контуре зависит также от места присоединения обратного провода сварочной цепи к свариваемому изделию, от конфигурации изделия и наличия зазоров в свариваемом стыке. Присоединение обратного провода в непосредственной близости от места сварки исключает появление магнитного дутья. Образование несимметричных магнитных полей вызывают большие ферромагнитные массы (массивные металлические изделия), расположенные рядом со сварочной ванной. Ослабить действие магнитных полей можно путем изменения наклона электрода таким образом, чтобы нижний конец электрода был направлен в сторону действия магнитного дутья, или применяя сварку короткой дугой, имеющий меньшую возможность для отклонения.

Для обеспечения устойчивого горения дуги ток и напряжение должны находиться в определенной зависимости, называемой статической вольт-амперной характеристикой дуги (рис. 9). Увеличение тока в дуге до 100 А вызывает резкое увеличение площади сечения столба дуги, что приводит к увеличению его электропроводности и уменьшению напряжения. Такую форму характеристики дуги называют падающей. При увеличении тока от 100 до 1000 А площадь сечения столба дуги увеличивается пропорционально току, поэтому плотность тока и падение напряжения на всех участках столба дуги сохраняются постоянными. Характеристику тогда называют жесткой. Значение тока в дуге свыше 1000 А приводит к резкому увеличению напряжения: повышение тока выше определенного значения уже не может увеличить сечение столба дуги. Поэтому напряжение на дуге растет. Характеристика называется возрастающей.

Ваш отзыв