Главная Обратная связь

Дисциплины:






СВАРОЧНЫЕ СВОЙСТВА ДУГИ



Сварочная дуга характеризуется выделением большого коли­чества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источником тепла и приме­няется для расплавления основного и присадочного материалов.

В зависимости от того, в какой среде происходит дуговой разряд, различают:

открытую дугу, горящую в воздухе, где соста­вом газовой среды зоны дуги является воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электрод­ных покрытий;

закрытую дугу, горящую под флюсом, где составом газовой среды зоны дуги являются пары основного металла, проволоки и защитного флюса;

дугу, горящую в среде защитных газов — закрытую дугу (в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера защитного газа, пары расплавленного металла проволоки и основного металла). Сварочная дуга классифи­цируется по роду применяемого тока (постоянный, пере­менный, трехфазный) и по длительности горения (стационар­ная, импульсная). При применении постоянного тока различают дугу прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс силовой цепи — катод — находится на электроде, а положительный полюс — анод — на основном металле. При обратной полярности плюс на электроде, а минус на изделии.

В зависимости от типа применяемого электрода дуга может возбуждаться между плавящимися (металлическим) и неплавящимся (угольным, вольфрамовым и др.) электродами. По принципу работы дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 31).

Дугой прямого действия называют дуговой разряд, проис­ходящий между электродом и изделием. Косвенная дуга представляет собой дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка). Комбинированная дуга — это со­четание дуги прямого и косвенного действия. Примером ком­бинированной дуги служит трехфазная дуга, у которой две дуги электрически связывают электроды с изделием, а третья горит между двумя электродами, изолированными друг от друга.

 

Возбуждение дуги производят двумя способами: касанием, либо чирканьем, сущность которых показана на рис. 32.

В сварочной дуге дуговой промежуток разделяется на три основные области: анодную, катодную и столб дуги. В про­цессе горения дуги на электроде и основном металле имеются активные пятна, представляющие собой более нагретые участки электрода и основного металла, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно, находящееся на катоде, называется катодным, а пятно, находящееся на аноде,— анодным.

Общая длина сварочной дуги (рис. 33) равна сумме длин всех трех областей Lд = Lк + Lс + Lа, где Lд — общая длина сварочной дуги, см; Lкдлина катодной области, равная примерно 10-5 см; Lдс — длина столба дуги, см; Lадлина анодной области, равная примерно — 10-3 ¸10-4 см.



Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги Uд = Uк + Uс + Uа , где Uд — общее падение напряжения на дуге, В; Ukпадение напряжения в катодной области, В; Uc — падение напряжения в столбе дуги, В; Ua — падение напряжения в анодной области, В. -

Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12000 К и зависит от состава газовой среды дуги, материала, диаметра электрода и плотности тока. Температуру приближенно можно определить по формуле, предложенной академиком АН УССР К. К. Хреновым Tст = 810× Uдейств, где Tст- температура столба дуги, К; Uдейств - действую­щий потенциал ионизации.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги. Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и ве­личины сварочного тока, называемую вольтамперной характе­ристикой сварочной дуги, можно описать уравнением Uд =a + bLд, где а — сумма падений напряжения на катоде и аноде (а = Uк+Uа); b — удельное падение напряжения в газовом стол­бе, отнесенное к 1 мм длины дуги (величина b зависит от газового состава столба дуги); L д — длина дуги, мм.

При малых и сверхвысоких величинах тока 1/д зависит от величины сварочного тока.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги показана на рис. 34. В области I увеличение тока до 80 А приводит к резкому падению напряжения дуги, которое обусловливается тем, что при маломощных дугах увеличение тока вызывает увеличение площади сечения столба дуги, а также его электропроводности. Форма статической характеристики сварочной дуги на этом участке падающая. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-амперную характеристику, имеет малую устойчивость. В области II (80 - 800 А) напряжение дуги почти не изменяется, что объясняется увеличением сечения столба дуги и активных пятен пропорционально изменению величины сварочного тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках дугового разряда сохраняются постоянными. В этом случае статическая характеристика сварочной дуги жесткая. Такая дуга широко применяется в сварочной технике. При увеличении сварочного тока более 800 А (область III) напряжение дуги снова возрастает. Это объясняется увеличе­нием плотности тока без роста катодного пятна, так. как поверхность электрода уже оказывается недостаточной для размещения катодного пятна с нормальной плотностью тока. Дуга с возрастающей характеристикой широко применяется при сварке под флюсом и в защитных газах.

Процессы, происходящие в момент возбуждения сварочной дуги. При коротком замыкании происходит соприкосновение торца электрода с изделием. Поскольку торец электрода имеет неровную поверхность, контакт происходит не по всей плоскости торца электрода (рис. 35). В точках контакта плотность тока достигает весьма больших величин и под действием выделившегося тепла в этих точках металл мгновенно расплавляется.


В момент отвода электрода от изделия зона расплавлен­ного металла — жидкий мостик растягивается, сечение уменьша­ется, а температура металла увеличивается. При отводе электрода от изделия жидкий мостик металла разрывается, происходит быстрое испарение («взрыв» металла). В этот момент разрядный промежуток заполняется нагретыми иони­зированными частицами паров металла, электродного покрытия и воздуха — возникает сварочная дуга. Процесс возникновения дуги длится всего доли секунды. Ионизация газов в дуговом промежутке в начальный момент возникает в результате термо­электронной эмиссии с поверхности катода, вследствие наруше­ния структуры в результате резкого перегрева и расплавления металла и электродного покрытия.

Увеличение плотности электронного потока происходит также за счет окислов и образовавшихся поверхностных слоев расплавившихся флюсов или электродных покрытий, снижаю­щих работу выхода электронов. В момент разрыва мостика жидкого металла потенциал резко падает, что способствует образованию автоэлектронной эмиссии. Падение потенциала позволяет увеличивать плотность тока эмиссии, накапливать электронам кинетическую энергию для неупругих столкновений с атомами металла и переводить их в ионизированное состояние, увеличивая тем самым число электронов и, следова­тельно, проводимость дугового промежутка. В результате ток увеличивается, а напряжение падает. Это происходит до определенного предела, а затем начинается устойчивое состоя­ние дугового разряда — горение дуги.

Катодная область. Процессы, протекающие в области катодного падения напряжения, играют важную роль в сварочных процессах. Область катодного, падения напряжения является источником первичных электронов, которые поддержи­вают газы дугового промежутка в возбужденном ионизирован­ном состоянии и переносят на себе в силу большой подвиж­ности основную массу заряда. Отрыв электронов с поверхности катода вызывается в первую очередь термоэлектронной и автоэлектронной эмиссией. Энергия, расходуемая на вырыв электронов с поверхности катода и наплавление металла, в некоторой степени возмещается энергией из столба дуги за счет потока положительно заряженных ионов, отдающих на по­верхности катода свою энергию ионизации. Процессы, происхо­дящие в области катодного падения напряжения, можно представить по следующей схеме.

1. Электроны, излучаясь с поверхности катода, получают ускорения, необходимые для ионизации молекул и атомов газа. В некоторых случаях катодное падение напряжения бывает равно потенциалу ионизации газа. Величина катодного падения напряжения зависит от потенциала ионизации газа и бывает 10-16 В.

2. Вследствие малой толщины катодной зоны (около 10-5 см) электроны и ионы в ней движутся без столкновений и она приблизительно равна свободному пробегу электрона. Значения толщины катодной зоны, найденные опытным путем, меньше 10-4 см.

3. С увеличением плотности тока температура катодной области повышается.

Столб дуги. В столбе дуги имеются три рода заряженных частиц — электроны, положительные ионы и отрицательные ио­ны, которые перемещаются к противоположному по знаку полюсу.

Столб дуги можно считать нейтральным, так как сумма зарядов отрицательных частиц равна сумме зарядов положи­тельных частиц. Столб дуги характерен образованием заряжен­ных частиц и воссоединением заряженных частиц в нейтральные атомы (рекомбинация). Поток электронов через слой газов разрядного промежутка вызывает в основном упругие соуда­рения с молекулами и атомами газа, вследствие чего созда­ется весьма высокая температура. Возможна также и ионизация в результате неупругих соударений.

Температура столба дуги зависит от состава газов, величины сварочного тока (с увеличением величины тока температура повышается), типа электродных покрытий и полярности. При обратной полярности температура столба дуги выше.

Анодная область. Анодная область имеет большую протяжен­ность и меньший градиент напряжения, чем катодная область. Падение напряжения в анодной области создается в результате извлечения электронов из столба дугового разряда и ускорением при входе их в анод. В анодной области имеется в основном только электронный ток, вследствие малого количества отри­цательно заряженных ионов, имеющих меньшие скорости движе­ния, чем электрон. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию работы выхода, поэтому аиод получает энергию от столба дуги не только в виде потока электронов, но и в видетеплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Особенности сварочной дуги, питаемой переметным током. При сварке дугой переменного тока (промышленной частоты 50 периодов в секунду) катодное и анодное пятна меняются местами 100 раз в секунду. При изменении полярности образу­ется так называемый «вентильный эффект», заключающийся в частичном выпрямлении тока. Выпрямление тока происходит в результате беспрерывно меняющейся электронной эмиссии, так как при изменении направления тока условия выхода эмиссионных токов с электрода и с изделия не одинаковы.

При одинаковых материалах ток почти не выпрямляется, выпрямление тока в сварочной дуге называется составляющей постоянного тока,которая при аргоно-дуговой сварке алюминия отрицательно действует на процесс. Устойчивость горения сва­рочной дуги, питаемой переменным током, ниже, чем дуги, питаемой постоянным током. Это объясняется тем, что в про­цессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. В момент угасания дуги снижается температура дугового промежутка, вызывающая деионизацию газов столба дуги. Одновременно с этим падает и температура активных пятен. Температура особенно падает на том активном пятне, которое расположено на поверхности сварочной ванны, вследствие отвода тепла в изделие. В связи с тепловой инерционностью процесса падение температуры несколько отстает по фазе от перехода тока через нуль. Зажигание дуги из-за пониженной ионизации дугового проме­жутка в начале каждого полупериода возможно только при повы­шенном напряжении между электродом и изделием, называемом пиком зажигания. Если катодное пятно находится на основном металле, то в этом случае величина пика зажигания несколько выше. На величину пика зажигания влияет эффективный потен­циал ионизации: чем больше эффективный потенциал иониза­ции, тем выше должен быть пик зажигания. Если в сварочной дуге находятся легко ионизируемые элементы, пик зажигания снижается и, наоборот, он увеличивается при наличии в атмосфе­ре дуги ионов фтора, которые при соединении с положитель­ными ионами легко образуют нейтральные молекулы.

К основным преимуществам дуги переменного тока следует отнести: относительную простоту и меньшую стоимость обо­рудования, отсутствие магнитного дутья и наличие катодного распыления оксидной пленки при аргонодуговой сварке алю­миния. Катодное распыление — это процесс бомбардировки сварочной ванны положительными ионами в тот момент, когда изделие бывает катодом, за счет чего разрушается окисная пленка.





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...