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, фото-ионизацию (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 (фото-ионизация).

В столбе дуги происходит образование так называемых вторичных электронов, 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 к уменьше­нию 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).