Вольт амперная характеристика для ручной дуговой сварки

Люди применяют сварку вот уже почти полтора столетия. А изучать это метод соединения различных объектов начал еще известный итальянский ученый Алессандро Дж. Вольта. На основе, в том числе, и его научных трудов был создан первый аппарат для выполнения сварки. Генерирование электрического разряда происходит в момент КЗ (здесь и далее Короткое Замыкание), возникшего между обрабатываемой поверхностью и концом расходного элемента (здесь и далее под таковым подразумевается электрод). На аппарат для сварки подается электроэнергия. Благодаря ее трансформированию в энергию другого вида – тепловую – возникает ванна расплава. Это является обязательным условием формирования однородного металлического шва. По результатам детального анализа ВАХ (сокращение словосочетания Вольтамперная Характеристика) ученым удалось превратить сварку, практически, в совершенный процесс соединения элементов создаваемой конструкции. Были разработаны современные приборы, поддерживающие стабильное состояние сварочной электродуги.

Сварочная дуга. Что это?

Продуцируемая сварочным аппаратом электродуга является ничем иным, нежели проводником, сформированным ионизированными частицами. Его существование на протяжении определенного временного интервала обеспечивается благодаря поддержке электрического поля. Подобному разряду, образующемуся в газе, который способен к ионизации, характерны:

• высокие температурные показатели;
• непрерывная форма.

Учебники и справочники по сварке содержат следующее определение данному явлению: она представляет собой разряд, происходящий в образовавшейся плазме и носящий продолжительный характер. Сама же плазма является конгломератом продуктов испарения металлов, образующихся под влиянием весьма высокой температуры и на которые оказывают воздействие подвергнутые ионизации защитные газы, присутствующие в атмосфере.

Природа возникновения явления

Процесс формирования дуги выглядит следующим образом:

В момент контакта происходит короткое замыкание, металл в точке прикосновения плавится. Каждый этап длится миллисекунды, разряд возникает практически мгновенно. Далее ток поддерживается эмиссией электронов на катоде. По пути к аноду они ионизируют газ и пары металла, увеличивая число свободных носителей заряда.

Современные сварочные аппараты оснащаются генератором высокочастотных колебаний (осциллятором). Это устройство позволяет возбуждать дугу бесконтактным способом.

Структура и температурные характеристики сварочной электродуги

Довести температуру металлической заготовки за очень непродолжительный отрезок времени до точки плавления вполне возможно, но по законам физики для этого необходимо сформировать мощную электродугу. Ее основными рабочими характеристиками являются:

• вольтаж – величина напряжения, отображенная в вольтах;
• ампераж – сила электротока, значение которой представлено в амперах;
• уровень плотности потока корпускул/частиц-носителей заряда.

С точки зрения электротехники дуговой столб является проводником между противоположными полюсами (имеются в виду плюсовой и минусовой). Материализован он посредством газовой среды. Особенности столба – высокое значение сопротивления, способность продуцировать искры и светиться.
Проведение тщательного анализа структуры электродуги позволит выяснить, как на металл оказывает воздействие температура. В общем случае ее длина относительно небольшая – колеблется в районе отметки 5 сантиметров. Строение электродуги включает 3 области:

• сам столб. Это и есть видимый человеческим глазом светящийся отрезок;
• анодная область – примерно 10 мкм;
• катодная область – около 1 мкм.

Температура сварочной электродуги определяется потоком формируемых на катоде свободных электронов. Уровень нагрева самого катода достигает 38 процентов от температуры образовавшейся плазмы. Электроны – частицы с отрицательным зарядом – перемещаются в газовой среде в сторону анода, а элементы-носители положительного заряда движутся к катоду. В целом же наблюдается такая картина: столб на протяжении всего времени своего существования нейтрален.

Внутри столба температура частиц может достигать 10000°С. Они при контакте с металлом обеспечивают его разогрев до 2350°С. Точку проникновения электронов ученые-физики называют анодным пятном. В сравнении с другим пятном, называемым катодным, его температурный показатель больше на 6 процентов. Плазма излучает волны в инфракрасном, в видимом и УФ-диапазонах. Но это излучение способно нанести вред коже и органам зрения человека. Поэтому сварщики обязаны по технике безопасности работать в специальных защитных средствах.

Разновидности сварочной электродуги

Подразделение сварочной электродуги на виды осуществляется на основе нескольких признаков. Так, по критерию «Тип электротока и расположение электродов в рабочей зоне» формируются следующие группы:

• прямого действия. Это когда разряд расположен параллельно по отношению к продольной оси электрода и перпендикулярно относительно обрабатываемой металлической поверхности;
• косвенного действия. Здесь электрод наклонен к поверхности заготовки под углом, равным 40,0°-60,0°. Разряд проходит между этим расходным элементом и металлом;
• комбинированная. Представляет собой сочетание вышеуказанных дуг. В качестве примера можно привести 3-фазную дугу. Ее 2 дуги осуществляют электрическую связь электродов с объектом сварки. Третья же горит между двумя изолированными один от другого электродам.

Плазменный столб зависимости от его состава бывает:

• открытым. Формируется в газах атмосферы. В качестве подпитывающей среды выступают химические соединения, испаряющиеся из объекта сварки и обмазки электрода;
• закрытым. Продуцируется под флюсом. Обязательное условие – наличие газообразной фазы, образованной частицами, являющимися продуктами испарения флюса, расходного элемента – электрода, и самого металла, находящегося в жидком агрегатном состоянии;
• с подачей защитной смеси. Ею может быть газ, обладающий инертными свойствами, и т.д.

Еще один признак, на основе которого эксперты подразделяют электродугу на виды, это тип электрода. Для сварки задействуются следующие расходные элементы:

• стальные, обмазка которых содержит включения, обеспечивающие ионизацию газа;
• произведенные из угля либо графита;
• тугоплавкие, изготовленные из металла вольфрам (элемент W).

По критерию «время воздействия» сварочная электродуга бывает импульсной, а также постоянной.

Какие вольт-амперные характеристики могут иметь сварочные источники питания?

Комментарий: Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольт-амперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими (рис. 1).
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики источников питания сварочной дуги: а — падающая; б — жесткая; в — возрастающая

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги (Uд, Iд) и источника питания (Uп, Iп).

Источники питания с падающей характеристикой применяют при ручной дуговой сварке, с жесткой характеристикой — при полуавтоматической сварке, с возрастающей — при автоматической сваркепод флюсом и для наплавки.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питаниясварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) сварочной дуги на статическую вольт-амперную характеристику источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания) — рис. 2. При этом напряжение и ток источника питания и дуги совпадают в двух точках 1 и 2. Устойчивому горениюсварочной дуги соответствует только точка 1.

При уменьшении тока дуги напряжение источника станет больше напряжения на дуге, так как на характеристике источника питания рабочая точка сместится влево, избыток напряжения источника питания приведет к увеличению тока дуги, т. е. к возврату процесса в точку 1.

Источник

Условия горения

В основе сварочного процесса находится трансформирование электроэнергии в энергию тепловую. Время удержания сформированного в его ходе столба ничем не ограничено, если ионизация газа происходит очень быстро. При сваривании заготовки подвергаются нагреву, контактирующий с ними воздух становится горячим и обогащается испаряемыми веществами. Альтернативным способом является специальная подача в рабочую область газа, из молекул или атомов которого под внешним воздействием образуются ионы. Наиболее хорошо ионизируются частицы мягких щелочных металлов (входят в первую группу периодической таблицы), а также щелочноземельных металлов (это уже представители второй группы периодической таблицы). Для перевода их в активное состояние, достаточно начать пропускать электроток.

Иным обязательным условием надежного поддержания сварочного столба является высокая стабильная во времени температура катода. Ее величина – характеристика производная от площади самого катода, а также его химического состава. Без источника электроэнергии здесь не обойтись. Когда выполняются сварочные работы температурный показатель катодной зоны достигает 7000°С.

Выбор источника питания для дуговой сварки

Разумеется, помимо силовых характеристик сварочное оборудование выбирают по мобильности, габариту, весу. Говоря о достоинствах и недостатках источников питания, стоит начать с самого первого вида сварочников.

Трансформатор

Оборудование с вторичной обмоткой преобразует напряжение, за счет индуктивных полей с 80 вольт можно опустить напряжение до 20-ти. Это самый простой и громоздкий тип сварочного аппарата. Зато очень надежный, мало зависит от условий внешней среды, не боится влажности, запыленности. Трансформатор можно соорудить самостоятельно, нужный вольтаж получают за счет определенного числа витков вторичной обмотки. Коэффициент полезного действия оборудования довольно высокий, стоимость небольшая. Когда объем работы небольшой, сварщики с опытом работы предпочитают для гаража, дома приобретать трансформаторы.

Выпрямитель

Уже из названия ясно, что речь пойдет об источнике постоянного тока. Для преобразования используются полупроводники, они пропускают электричество только в верхнем диапазоне синусоиды. Благодаря использованию полупроводников, наличию электросхемы, возможности у выпрямителей шире, чем у трансформаторов. При смене полярности можно регулировать температуру на контактах: при прямой полярности сильнее греется электрод, при обратной – металл. КПД у выпрямителей выше, чем у трансформаторов, малые потери на холостом ходу.

Большой минус – сварочные аппараты очень греются, им периодически требуется передышка, чтобы прийти в норму или дополнительная система охлаждения.

Генератор

Электричество вырабатывается вращением вала в постоянном магнитном поле. Работают устройства на бензине, дизтопливе, есть стационарные установки на угле, брикетированном топливе. Главные достоинства:

Минусы – изрядные габариты, низкий КПД, плюс выхлопные газы, шум, вибрация.

Как образуется электродуга

Сварочная электродуга является ничем другим, нежели электрическим разрядом. Появляется она, когда происходит замыкание цепи. В момент соприкосновения электрода с подвергаемым сварке элементом конструкции начинает продуцироваться в избыточном объеме тепловая энергия. В месте контакта металл плавится. Из-за явления притягивания расплава к наконечнику расходного элемента образуется тонкая шейка. Под воздействием мощного электрического поля она, практически, моментально распыляется. Это обусловливает ионизацию молекул газа. В результате данного процесса формируется защитное облако, обеспечивающее свободное передвижение электронов.

Направленность потока определяется типом тока. Поджечь электродугу можно на электротоке, имеющем и постоянную, и переменную величину, а также любой полярности – как прямой, так и обратной. Частота разжигания и потухания дуги – характеристика производная от совокупности выбранных работником параметров тока.

Как регулировать длину дуги

От этого параметра зависят не только электрические величины, но и качество сварки. Дугу стремятся делать как можно более короткой, в пределах 3-4 мм.

При большей длине наблюдаются следующие негативные явления:

1. Капли расплавленного металла с электрода на пути к сварочной ванне успевают вобрать в себя из воздуха много кислорода и азота. В результате шов теряет прочность, пластичность и ударную вязкость.
2. Разряд перемещается по поверхности заготовки (блуждание), вследствие чего тепло распределяется по относительно большой площади. Глубина провара уменьшается; капли расплава с расходника, попадая на непрогретый металл, не сливаются с ним, а отскакивают.

Рекомендуем к прочтению Что делать, если от сварки болят глаза

Короткая дуга издает сухой треск, напоминающий шипение масла на горячей сковороде.

При большой длине сварочной дуги наблюдаются негативные явления.

Выполненный ей шов выглядит аккуратным и имеет следующие признаки:

1. Правильную форму.
2. Гладкую выпуклую поверхность.

Шов, выполненный длинной дугой, имеет неровные очертания, вдоль него налипают капли расплавленного металла.

Плавящийся электрод в процессе сварки уменьшается. Поэтому его постепенно приближают к заготовке, чтобы длина разряда оставалась постоянной.

Что влияет на мощность электродуги

Показатели мощности сварочной электродуги зависят от следующих основных факторов:

• питающее напряжение. Возрастание напряжения питания приводит к увеличению мощности дуги. Однако диапазон изменения значений последнего параметра неширокий. Имеются также ограничения, касающиеся размеров электродов;
• сила тока. Зависимость прямо пропорциональная. С увеличением этого параметра стабильность горения электродуги повышается;
• зависимость мощности и численного значения напряжения образовавшейся плазмы тоже прямо пропорциональная.

Длина дуги – это расстояние от расходного элемента до свариваемой поверхности в ходе выполнения работ. Данный показатель оказывает влияние на объем генерируемого тепла.

Скорость расплавления металла определяется мощностью электродуги. Этот параметр очень важен. Ведь о него зависит, сколько времени потребуется на соединение металлических деталей. Температура в области плавления изменяется силой тока. Если она достаточно большая, не будет гаснуть электродуга даже значительной длины. Заниматься настройками ампеража в ходе сварки требуется весьма редко.

Классификация

Общепринята градация блоков питания по нескольким признакам, обусловленным электромеханическими свойствами источников электротока. Начинающим сварщикам достаточно знать основные критерии классификации:

Для питания сварочной дуги возможно два способа получения рабочего тока:

Группировка по виду вырабатываемого тока:

Способ преобразования электричества: изменением вольтажа и ампеража, выпрямлением – переменный ток преобразуется в постоянный.

Мобильность источников, питание дуги бывает стационарным (подключение к магистральным электросетям) и автономным (использование переносных генераторов или аккумуляторов).

Способ регулировки рабочих параметров дуги (напряжения, ампеража). В трансформаторах меняется число задействованных витков: положением шунта, подвижностью катушки, секционированием вторичной обмотки.

Градация источников питания по внешним характеристикам тока сварочной дуги – это оценка зависимости среднего напряжения на контактах (держателе электрода и клемме, закрепляемой на металле) от ампеража. Параметры вольт-амперной характеристики оборудования бывают двух видов:

Вольт-амперная характеристика источника определяется экспериментально. Когда подключают питание, измеряют напряжение на клеммах.

ВАХ сварочной дуги

Аббревиатура ВАХ расшифровывается так: вольтамперная характеристика. Она отображает взаимосвязь параметров питания. По ВАХ можно узнать время стабильного горения электродуги, ее мощность, а также условия затухания.
Динамика, с которой изменяются вольтамперные показатели, отображает варьирование длины электродуги, когда она нестабильна. И наоборот, статическая ВАХ показывает, как зависит от силы тока величина напряжения электродуги в период постоянства ее длины. Выше представленный график, поделенный на 3 сегмента, выражает ее свойства.

Падающая ВАХ

Возрастание силы тока сопровождается резким падением напряжения (участок «1» на графике). Обусловлено это формированием столба. С увеличением плазменного потока его электропроводимость изменяется. Причем в сторону увеличения.

Жесткая ВАХ

Ключевая особенность этого участка (позиция «2» на графике) – пониженное напряжение, сочетающееся с неизменной во времени плотностью тока. Величина силы тока варьируется в пределах 100В-1000В. Растет диаметр электродугового столба, а его сопротивление, соответственно, падает. Площадь пятен, и анодного (знак «+»), и катодного (знак «-»), возрастает пропорционально.

Растущая ВАХ

На графике это участок «3». Отличается стабильностью катодного пятна. Его размер – величина производная от диаметра расходного элемента. Сопротивление сварочного столба увеличивается. Также наблюдается рост напряжения на электродуге.

Отдельно необходимо отметить следующие моменты:

• когда для проведения ручной электросварки применяются плавящиеся либо неплавящиеся расходные элементы, вольтамперные характеристики не переходят на третий участок графика. Для данного случая актуальны лишь первые два;
• показатели участков графика под номерами 2 и 3 описывают механизированную сварку, предусматривающую применение флюсов;
• параметры сварки в защитной среде с использованием плавящегося электрода отображены на третьем сегменте графика.

Теперь несколько слов о работе сварочного оборудования на переменном токе. Электродуга возбуждается на пике разжигания во всех полупериодах. Ее затухание наблюдается в момент перехода синусоидой нулевой отметки. Активные пятна прекращают нагреваться. Поддержка в стабильном состоянии эндотермического процесса формирования ионов из элементарных нейтральных частиц газов осуществляется испарениями металлов щелочной группы, присутствующих в обмазке электродов. Процесс розжига электродуги в защитной среде на электротоке с изменяющейся во времени величиной выполняется трудней в сравнении со сваркой на токе постоянном.

Когда выбирается аппарат для проведения работ определенного вида, необходимо принимать во внимание непосредственную зависимость ВАХ от вольтамперных параметров внешнего порядка. Например, ручная электродуговая сварка будет выполнена успешно при подводе питания, отличающегося падающей ВАХ, то есть с повышенным значением напряжения на ХХ. При этом у работника будет иметься возможность изменять длину электродуги, используя регулятор ампеража.

Величина силы тока, фиксируемая при КЗ в ходе расплавления расходного элемента, превышает значение этого показателя столба от 20 до 50 процентов. Сварка с помощью плавящихся электродов – наиболее оптимальный вариант в случае применения дуги размыкания. И здесь нужно знать один момент. Формулируется он так: для розжига электродуги вольфрамовым либо углеродным расходным элементом будет очень кстати вспомогательный/дополнительный разряд.

Значительная сила тока, возникающая при КЗ, может привести к прожигу заготовки. Происходит КЗ в момент падения капли расплава расходного элемента. После этого параметры резко обретают первоначальные значения. В результате наблюдается возрастание ампеража, и сила тока мгновенно достигает уровня, фиксируемого при КЗ. Мостик, сформировавшийся между электродом и металлической заготовкой, очень быстро перегорает. Это приводит к очередному возбуждению электродуги. Все вышеописанные изменения осуществляются в электродуговом столбе, практически, моментально. Оборудование должно отреагировать на них за этот короткий временной интервал, чтобы рабочие характеристики стабилизировались.

§ 8. СВАРОЧНЫЕ СВОЙСТВА ДУГИ

Сварочной дугой называется мощный устойчивый электрический разряд в газовой среде, образованной между электродами, либо между электродами и изделием. Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источником тепла и применяется для расплавления основного и присадочнбго 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 (в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера защитного газа, пары 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 плавящимся (металлическим) и неплавящимся (угольным, вольфрамовым и др.) электродами. По принципу работы дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 14).

Прямой дугой

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. 15.

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. 16) равна сумме длин всех трех областей:

L

д =
L
к +
L
с +
L
а,

где L

д — общая длина сварочной дуги,
см
;
L
к — длина катодной области, равная примерно 10-5
см
;
L
с — длина столба дуги,
см
;
L
д — длина анодной области, равная примерно 10-3 ÷ 10-4
см
. Общее напряжение сварочной дуги слагается из суммы падений напряжений в отдельных областях дуги:

U

д =
U
к +
U
с +
U
а,

где U

д — общее падение напряжения на дуге,
в
;
U
к — падение напряжения в катодной области,
в
;
U
c — падение напряжения в столбе дуги,
в
;
U
а — падение напряжения в анодной области,
в
. Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000° 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:

T

ст = 810 ·
U
эф,

где T

ст — температура столба дуги, °К;
U
эф—эффективный потенциал ионизации.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги.

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и величины сварочного Тока, называемую вольт-амперной характеристикой сварочной дуги, можно описать уравнением

U

д +
a
+
bL
д,

где а

— сумма падений напряжения на катоде и аноде (
а
=
U
к +
U
а):
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
U
д зависит от величины сварочного тока. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги показана на рис. 17. 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 пропорцибнально 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 щироко 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. 18). В точках контакта плотность тока достигает весьма больших вёличии 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. Ионизйция 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 анод получает энергию от столба дуги не только в виде потока электронов, но и в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.
Особенности сварочной дуги, питаемой переменным 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 будут не одинаковы. При одинаковых материалах ток почти не выпрямляется, выпрямление тока в сварочной дуге называется
составляющей постоянного тока
, которая при аргонно-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 аргоно-дуговой сварке алюминия. Катодное распыление — это процесс бомбардировки сварочной ванны положительными ионами в тот момент, когда изделие бывает катодом, за счет чего разрушается окисная пленка.

Влияние магнитного поля и ферромагнитных масс на сварочную дугу

В сварочной дуге столб дуги можно рассматривать как гибкий проводник, по которому проходит электрический ток и который под действием электромагнитного поля может изменять свою форму. Если будут созданы условия для взаимодействия электромагнитного поля, возникающего вокруг сварочной дуги, с посторонними магнитными полями, с собственным полем сварочной цепи, а также с ферромагнитными материалами, то в этом случае наблюдается отклонение дугового разряда от первоначальной собственной оси. При этом иногда нарушается и сам процесс сварки. Это явление получило название магнитного дутья

. Рассмотрим несколько примеров, показывающих воздействие внешнего магнитного поля на сварочную дугу. 1. Если вокруг дуги создано симметричное магнитное поле, то дуга не отклоняется, так как созданное поле оказывает симметричное действие на столб дуги (рис. 19, а).

2. На столб сварочной дуги действует несимметричное магнитное поле, которое создается током, протекающим в изделии; столб дуги при этом будет отклоняться в сторону, противоположную токопроводу (рис. 19,6). Существенное значение имеет и угол наклона электрода, который также вызывает отклонение дуги (рис, 20).

Сильным фактором, действующим на отклонение дуги, являются ферромагнитные массы: массивные сварные Изделия (ферромагнитные массы) имеют большую магнитную проницаемость, чем воздух, а магнитные силовые линии всегда стремятся пройти по той среде, которая имеет меньшее сопротивление, поэтому дуговой разряд, расположенный ближе к ферромагнитной массе, всегда отклоняется в ее сторону (рис. 21).

Влияние магнитных полей и ферромагнитных масс можно устранить путем изменения места токоподвода, угла наклона электрода, путем временного размещения ферромагнитного материала для создания симметричного поля и заменой постоянного тока переменным.

Перенос расплавленного металла через дуговое пространство

При переносе расплавленного металла действуют силы тяжести, поверхностного натяжения, электромагнитного поля и внутреннего давления газов. Сила тяжести проявляется в стремлении капли под действием собственного веса переместиться вниз При сварке в нижнем положении сила тяжести играет положительную роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в вертикальном и особенно в потолочном положениях она затрудняет процесс переноса электродного металла. Сила поверхностного натяжения проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность под действием молекулярных сил, стремящихся придать ей такую форму, которая бы обладала минимальным запасом энергии. Такой формой является сфера. Поэтому сила поверхностного натяжения придает капле расплавленного металла форму шара и сохраняет эту форму до момента соприкосновения ее с поверхностью расплавленной ванны или отрыва капли от конца электрода без соприкосновения, после чего поверхностное натяжение металла ванны «втягивает» каплю в ванну. Сила поверхностного натяжения способствует удержанию жидкого металла ванны при сварке в потолочном положении и создает благоприятные условия для формирования шва. Сила электромагнитного поля заключается в том, что электрический ток, проходя по электроду, образует вокруг него магнитное силовое поле, которое оказывает на поверхность электрода сжимающее действие, стремящееся уменьшить поперечное сечение электрода. На твердый металл магнитное силовое поле не влияет. Магнитные силы, действующие нормально к поверхности расплавленной капли, имеющей сферическую форму, оказывают на нее значительное влияние. С увеличением количества расплавленного металла на конце электрода под действием сил поверхностного натяжения, а также сжимающих магнитных сил на участке между расплавленным и твердым электродным металлом образуется перешеек (рис. 22).

По мере уменьшения сечения перешейка резко возрастает плотность тока и усиливается сжимающее действие магнитных сил, стремящихся оторвать каплю от электрода. Магнитные силы имеют минимальное сжимающее действие на шаровой поверхности капли, обращенной к расплавленной ванне. Это объясняется тем, что плотность тока в этой части дуги и на изделии небольшая, поэтому сжимающее действие магнитного силового поля также небольшое. Вследствие этого металл переносится всегда в направлении от электрода малого сечения (стержня) к электроду большого сечения (изделию). Следует отметить, что в образовавшемся перешейке вследствие увеличения сопротивления при прохождении тока выделяется большое количество тепла, ведущее к сильному нагреву и кипению перешейка. Образовавшиеся при этом перегреве пары металла в момент отрыва капли оказывают на нее реактивное действие— ускоряют ее переход в ванну. Электромагнитные силы способствуют переносу металла во всех пространственных положениях сварки. Сила внутреннего давления газа возникает в результате химических реакций, протекающих тем активнее, чем больше будет перегрет расплавленный металл на конце электрода. Исходными продуктами для образования реакций являются газы, причем объем образующихся газов в десятки раз превосходит объем участвовавших в реакции соединений. Отрыв крупных и мелких капель от конца электрода происходит как следствие бурного кипения и удаления образовавшихся газов из расплавленного металла. Образование брызг на основном металле также объясняется взрывообразным дроблением капли, когда капля переходит через дуговой промежуток, так как в этот момент усиливается выделение из нее газов, и некоторая часть капли вылетает за пределы сварочной ванны. Сила внутреннего давления газов главным образом перемещает каплю от электрода к изделию.

Основные показатели сварочной дуги

Коэффициент расплавления.

При сварке металла шов образуется вследствие расплавления присадочного и проплавления основного металла. Расплавление присадочного металла характеризуется коэффициентом расплавления

где αр — коэффициент расплавления; G

р — вес расплавленного за время
t
электродного металла,
гt
— время горения дуги, ч;
I
— сварочный ток,
а
.

Коэффициент расплавления зависит от состава проволоки и покрытия электрода, веса покрытия, а также рода и полярности тока. Коэффициент потерь.

Коэффициент характеризует потери металла электрода на разбрызгивание, испарение и окисление.

где ψ — коэффициент потерь; G

н — вес наплавленного металла,
Г
;
G
р — вес расплавленного металла,
Г
. Коэффициент потерь зависит не только от состава проволоки и ее покрытия, но также и от режима сварки и типа сварного соединения. Коэффициент потерь возрастает при увеличении плотности тока и длины дуги. Он несколько меньше при сварке втавр, с разделкой кромок, чем при наплавке.
Коэффициент наплавки.
Для оценки процесса наплавки вводят понятие коэффициента наплавки:

где αн — коэффициент наплавки; G

н— количество наплавленного за время
t
металла,
г
(с учетом потерь). Коэффициент наплавки зависит от рода и полярности тока, типа покрытия и состава проволоки, а также от пространственного положения, в котором выполняют сварку.
Зависимость величины сварочного тока от диаметра электрода.
При ручной дуговой сварке сварочный ток и диаметр электрода связаны следующей зависимостью:

I

=
K · d
,

где I

— величина сварочного тока,
а
;
K
— коэффициент, зависящий от марки электрода (
K
= 40 ÷ 60; 40 — для легированных электродов, 60 — для углеродистых)
d
— диаметр электрода,
мм
. Приведенная формула применима для электродов, имеющих диаметр 8 — 6
мм
. Зависимость между диаметром и величиной сварочного тока выражают также следующей опытной формулой:

I

= (
m
+
n · d
) ·
d
,

где m

= 20;
n
= 6 (для ручной сварки стальными электродами).
Производительность процесса дуговой сварки.
Производительность сварки определяется количеством наплавленного металла

G

= αн ·
I · t
,

где G

— вес наплавленного металла,
Г
. Чем больше ток, тем выше производительность. Однако при значительном увеличении сварочного тока для применяемого диаметра электрода последний может быстро нагреваться теплом Ленца—Джоуля, что резко понизит качество сварного шва, так как металл шва и зона сплавления основного металла будут перегреты. Необходимо отметить, что перегрев электрода увеличивает разбрызгивание металла.
Погонная энергия.
Отношение эффективной тепловой мощности дуги (источника)
q
н к скорости перемещения дуги
v
называется
погонной энергией
.

где v

— скорость перемещения дуги (скорость сварки),
см/сек
. Погонная энергия — это количество тепла в калориях, введенное на единицу длины однопроходного шва или валика. Полную тепловую мощность сварочной дуги приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности

Q

= 0,24
U
д ·
Iкал/сек
,

где Uд — падение напряжения на дуге, в

;
I
— величина сварочного тока,
а
;
Q
— тепловой эквивалент электрической мощности сварочной дуги,
кал/сек
. Количество тепла, введенное сварочной дугой в изделие в процессе его нагрева за единицу времени, называется
эффективной тепловой мощностью сварочной дуги
, которая является суммой тепловой энергии, выделяющейся в пятне дуги на изделии, вводимой в изделие при теплообмене со столбом дуги и пятном на изделия и поступающей с каплями расплавленного флюса, электродного металла и покрытия:

q

и = 0,24
U
д ·
I · h
и
кал/сек
,

где q

и — эффективная тепловая мощность сварочной дуги
кал/сек
;
h
и — эффективный к.п.д. процесса нагрева металла сварочной дугой, Откуда

Эффективным к.п.д. процесса нагрева металла сварочной дугой

называется отношение количества введенного в металл тепла к тепловому эквиваленту электрической мощности дуги. Этот коэффициент характеризует эффективность процессов выделения тепла и теплообмена в дуговом промежутке по отношению к нагреву металла изделия и зависит в основном от способа сварки. На рис. 23 приведен тепловой баланс тепла выделяемый дугой, из которого видно, что более полно используется тепло дуги при автоматической сварке под флюсом.

При увеличении длины дуги эффективный к.п.д. падает и возрастает с углублением дуги в ванну. При сварке металлическими электродами этот коэффициент мало зависит от рода, полярности и величины сварочного тока.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется электрической дугой? 2. Назовите основные участки электрической дуги. 3. В результате каких явлений происходит ионизация воздушного промежутка между электродом и изделием? 4. Как определить коэффициенты расплавления, наплавки и потерь? 5. Что называется погонной энергией?
предыдущая страница

Особенности электродуги

Широкие пределы изменения параметров обусловливает совместимость электродуги с обычными плавящимися расходными элементами, а также с тугоплавкими. В результате ее воздействия заготовка очень быстро разогревается, а затем формируется ванна расплава. Уровень потерь, появляющихся в ходе преобразования электрической энергии в энергию тепловую, – минимальный. Хотя природу электродуги можно сопоставить с разрядами других разновидностей, у нее имеются свои особенности:

• саморегулирующиеся вольтамперные характеристики, а также мощность;
• пространственная устойчивость;
• четкие контуры;
• неравномерность распределения между обоими полюсами электрического поля;
• незначительное снижение напряжения на аноде (знак «+») и катоде (знак «-»). Данное явление мало связано с изначально установленным вольтажом;
• сильный ток продуцирует высокую температуру.

Зажигание дуги можно осуществлять двумя способами: кратковременным прикасанием либо путем чирканья.