Понятие об электрической дуге и ее свойствах.

Дуговая сварка. Сущность процесса.

Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и заготовкой. В зависимости от материала и числа электродов, а также способа включения электродов и заготовки в цепь электрического тока различают следующие способы дуговой сварки: сварка неплавящимся (графитным или вольфрамовым) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис.1,а), при которой соединение выполняется путем расплавления только основного металла 3 либо с применением присадочного металла 4; сварка плавящимся (металлическим) электродом 1 дугой прямого действия 2 (рис.1,б) с одновременным расплавлением основного металла 3 и электрода, который пополняет сварочную ванну жидким металлом; сварка косвенной дугой, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами; при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги; сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между электродами, а также между каждым электродом и основным металлом. Питание дуги осуществляется постоянным или переменным током. При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключают к отрицательному полюсу (катод), во втором - к положительному (анод).

Рис.1. Схема сварки неплавящимся (а) и плавящимся электродом (б)

Кроме того, различные способы дуговой сварки классифицируют также по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Понятие об электрической дуге и ее свойствах.

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.2,а) выполняется для разогрева торца электрода 1 и заготовки 2 в зоне контакта с электродом. После отвода электрода (рис.2,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, через него начинается разряд электричества. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда (рис.2,в).

Рис.2. Схема процесса зажигания дуги

Температура столба дуги 6 зависит от материала электрода 1, 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:

Q = KI_СВU_Д, (1)

где К - коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (для постоянного тока равен единице, для переменного тока 0,7-0,97); I_СВ - сварочный ток, А; U_Д - 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.

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

q = ηQ, (2)

где q - КПД дуги, представляющий собой отношение эффективной мощности дуги к полной; величина η зависит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов.

Рис. 3. Статическая вольт - амперная характеристика дуги (а) и

зависимость напряжения дуги U_Д от ее длины L_Д (б)

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

Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения (рис.3,а). Характеристика состоит из трех участков: I - характеристика падающая, II - жесткая, III - возрастающая. Самое широкое применение нашла дуга с жесткой и возрастающей характеристиками. Каждому участку характер характеристики соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну: I и II - крупнокапельный, III - мелко-капельный или струйный.

Для дуги с жесткой характеристикой напряжение U_Д пропорционально ее длине:

U_Д = α + βL_Д, (3)

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

Из приведенной зависимости следует, что для сохранения напряжения дуги неизменным необходимо длину дуги поддерживать постоянной (рис.3,б).