Физическая сущность сварки.

Дуга - мощный стабильный разряд электричества в ионизированной атмосфере газов и паров металла. Ионизация дугового промежутка происходит во время зажигания дуги и непрерывно поддерживается в процессе ее горения. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа: короткое замыкание электрода на заготовку, отвод электрода на расстояние 3-6 мм и возникновение устойчивого дугового разряда. Короткое замыкание (рис.1,а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис.1,б) с его разогретого торца (катода) под действием электрического поля начинается термоэлектронная эмиссия электронов 3. Столкновение быстродвижущихся по направлению к аноду электронов с молекулами газов и паров металла приводит, к их ионизации 4. По мере разогрева столба дуги и повышения кинетической энергии атомов и молекул происходит дополнительная ионизация за счет их соударения. Отдельные атомы также ионизируются в результате поглощения энергии, выделяемой при соударении других частиц. В результате дуговой промежуток становится электропроводным и через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда (рис.1,в).

Рис. 1. Схема процесса зажигания дуги

Возможно зажигание дуги без короткого замыкания и отвода электрода с помощью высокочастотного электрического разряда через дуговой промежуток, обеспечивающего его первоначальную ионизацию. Для этого в сварочную цепь на короткое время подключают источник высокочастотного переменного тока высокого напряжения (осциллятор). Этот способ применяют для зажигания дуги при сварке неплавящимся электродом.

Температура столба дуги 6 зависит от материала электрода и состава газов в дуге, а температура катодного 5 и анодного 7 пятен приближается к температуре кипения металла электродов. Эти температуры для дуги покрытого стального электрода составляют соответственно ~6000 и ~3000 К. При этом в анодной области дуги, как правило, выделяется значительно больше тепловой энергии, чем в катодной.

Полная тепловая мощность дуги, Дж/с:

, (1)

где - коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для постоянного тока равен единице, для переменного тока 0,7-0,97); - сварочный ток, А; - напряжение дуги, В.

Однако не вся мощность дуги полностью расходуется на нагрев и расплавление электрода и основного металла, часть ее теряется в результате теплоотдачи в окружающую среду.

Рис. 2. Статическая вольт-амперная характеристика дуги (а) и

зависимость напряжения дуги U_д (а) от ее длины L_д(б)

Часть мощности дуги, расходуемая на нагрев заготовки, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги, Дж/с:

, (2)

где - КПД дуги, представляющий собой отношение эффективной мощности дуги к полной; величина зависит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов (для автоматической сварки под флюсом, электрошлаковой, ручной дуговой покрытым электродом и сварки в защитных газах среднее значение соответственно равно 0,9; 0,7; 0,8 и 0,6).

Для оценки затрат тепловой энергии на образование единицы длины шва или единицы площади соединения при однопроходной сварке используют величины погонной и удельной погонной энергии ( - скорость сварки, см/с; - толщина заготовки, см).

Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения (рис.2,а). Характеристика состоит из трех участков: I - характеристика падающая, II - жесткая, III - возрастающая. Самое широкое применение нашла дуга с жесткой и возрастающей характеристиками. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение. В последнем случае для поддержания горения дуги необходимо постоянное включение в сварочную цепь осциллятора. Каждому участку характеристики дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну: I и II - крупнокапельный, III - мелкокапельный или струйный.

Для дуги с жесткой характеристикой напряжение пропорционально ее длине:

, (3)

где - длина дуги (0 < < 8 мм); и - опытные коэффициенты, зависящие от рода металла и газа в дуговом промежутке и других факторов (для стальных электродов = 10 В; = 2 В/мм).