Физические явления, протекающие в сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой один из видов устойчи­вого электрического разряда через газовый промежуток, в котором на­ходится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов. Этот разряд ха­рактеризуется высокими плотностью тока и температурой. Электрод, соединенный с отрицатель­ным зажимом источника, называется катодом, а электрод, соединенный с положительным зажимом — анодом. Под действием напряжения, имею­щегося между электродами, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. В дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех областей: катодной, анодной и столба дуги (рис. 1.4). Такая структура связана с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. В приэлектродных областях, соединяющих столб дуги с электродами, происходит постепенное снижение температуры и степени термической ионизации газа. На поверхности электродов часто наблюдаются пятна — катодное и анодное, на границе которых с соответ­ствующими областями дуги наблюдаются скачки потенциалов. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в этих обла­стях существенно отличаются от соответствующих процессов в столбе, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и анодной областях.

Рис. 1.4. Структура сварочной дуги и распределение электриче­ского поля в межэлектродном пространстве

Катодная область. Большую роль в обеспечении проводимости дуго­вого промежутка играет поток эмитированных катодом электронов. Этот процесс обеспечивается как за счет нагрева поверхности катода (термо­электронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электри­ческого поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают необ­ходимый запас кинетической энергии для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эту энергию характеризу­ют работой выхода электрона U_BЫX, величина которой для разных ме­таллов составляет от 2 до 5 В. При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электрическим полем, которое вытягивает их за пределы воздействия электростатического поля металла. Определенный вклад вносит и бом­бардировка катода движущимися частицами. Электроны, прошедшие барьер, ускоряются в поле катодного потенциала в сторону столба дуги и, отдавая свою кинетическую энергию в столкновениях с нейтральными атомами, поддерживают ионизацию и нагрев газа на гра­нице между столбом дуги и катодной областью. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, умень­шает работу выхода электронов U_BЫX на 1-2 В. Данное явление называ­ется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов U_BЫXР и катодное падение напряжения U_KАТ имеют разные знаки, то в об­щем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так; U_KАТ - U_BЫXР. При малых размерах катод­ной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяжен­ность l_KАТ катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10-4-10-3 мм. Величина катодного падения напряжения U_KАТ лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (U_KАТ / l_KАТ) равен 104-105 В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока Iд, а плотность тока на стальном катоде близка к 25 А/мм².

Анодная область. Анод не эмитирует положительно заряженных ио­нов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — электронов. В связи с этим вблизи анода образуется избыток отрицательных зарядов, в результате чего у поверх­ности анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина напряжения которого равна работе выхода электронов U_BЫX. Электроны не могут выйти из анода и за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения Uан создает для них непреодолимый барьер. Общее значение потенциала в анодной области равно U_АН + U_BЫX. Электро­ны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения потенциала и приобретают допол­нительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации ато­мов, сталкивающихся с электронами. Появившиеся ионы также ускоря­ются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточную энергию посредством деионизации и соударений. Протяженность анодной области сопоставима с длиной сво­бодного пробега электрона и составляет около 10-3 мм. В зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок Uан ле­жит в пределах 2-10 В. Градиент напряжения имеет порядок 104 В/мм, т. е. ниже, чем в катодной области. Доля ионного тока в анодной области составляет около 20% от общего тока I_Д , а плотность тока для стальных электродов в анодной области приблизительно равна 15 А/мм2.

Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областями и имеет длину, на несколько порядков превышающую размеры указанных областей, l_СТ = 1-40 мм. Заряженные частицы поступают в столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Последний процесс играет подчиненную роль. Так, степень диссоциации в парах железа у сварочных дуг не превышает 4%, что свидетельствуете слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе U_CT достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения ε_СТ = 1 – 4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба l_СТ. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм².

Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравне­нию с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба

Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать так:

При использовании экспериментальных данных зависи­мость упрощается:

Вся мощность, выделяемая в катодной области Р_КАТ = I_Д (U_KАТ - U_BЫXР), идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению Р_АН = 1_Д(U_АН + U_BЫX). Знание соотношения мощностей, выделяемых на ка­тоде и аноде, необходимо для выбора полярности дуги при сварке на по­стоянном токе. Для большинства покрытых электродов Р_АН больше Р_КАТ в 1,3-1,5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке для увеличения ско­рости плавления электрода используют обратную полярность (+ на элек­троде). Такая же полярность используется при механизированной свар­ке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (– на электроде).

ТЕМА 2

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Устойчивость горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Действительно, при частоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, причем после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова. Таким образом, при сварке на переменном токе источник должен обладать специфическим свойством — обеспечи­вать многократное повторное зажигание дуги.

Процесс повторного зажигания дуги при переходе тока через нуль рассмотрим по осциллограммам (рис. 2.1,а). В конце предыдущего полупериода с момента t₁напряжение трансформатора становится недоста­точным для питания дуги, в результате дуга угасает, а ток резко снижается. С момента угасания t₁температура межэлектродного промежутка Т_МЭ падает, а его сопротивление R_МЭ резко возрастает (рис. 2.1,6).

Рис.2.1. Типичные осциллограммы дуги переменного тока: а — свароч­ные ток iд и напряжение ид, б — температура Тмэ и сопротивление RMЭ межэлектрод-ного промежутка

После перехода тока через нуль в момент t₀ анод и катод меняются местами, т.е. направление тока изменяется на обратное. Дуговой разряд мгновенно в момент t₀ восстановиться не может, для этого мало напряжение источника. Небольшой преддуговой ток, существующий при этом, создается за счет остаточной плазмы межэлектродного промежутка (не более 0,1 мс после угасания дуги) и термоэлектронной эмиссии с не остывшего еще катода (в течение 1-10мс). Таким образом, электриче­ский разряд в переходном периоде t₁–t₂не является дуговым, поскольку не обеспечивает генерирования заряженных частиц в количестве, доста­точном для самостоятельного существования дуги. По мере нарастания напряжения источника растет и преддуговой ток, но скорость его увели­чения di_д/dt, вплоть до момента t₂, существенно ниже, чем скорость сни­жения в момент времени t₁. В переходном периоде идут два встречных процесса: с одной стороны, ионизация межэлектродного газа и его на­грев нарастающим током, с другой стороны, деионизация и охлаждение за счет теплоизлучения и теплоотвода в электрод и изделие. Рассмотрим три варианта развития процессов в зависимости от условий сварки.

При достаточно благоприятных условиях (большой объем и высокая степень ионизации остаточной плазмы, мощная термоэлектронная эмис­сия с горячих неплавящихся электродов) из двух процессов существенно преобладает ионизация, поэтому при достижении напряжением источ­ника величины U_д дуговой разряд легко восстанавливается. Менее благо­приятные условия повторного зажигания (рис. 2.1) наблюдаются в большинстве случаев сварки (покрытыми электродами, под флюсом и т.д.). Термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодных плавящихся элек­тродов не обеспечивает необходимого количества заряженных частиц. Поэтому дуга возобновляется только в момент t₂ при достижении напря­жением источника довольно высокой величины напряжения повторного зажигания U₃, достаточной для развития автоэлектронной эмиссии. На­конец, в неблагоприятных условиях (малая мощность дуги, большая ее длина, обдув газовыми потоками) из двух процессов преобладает деионизация, при этом температура Т_мэмежэлектродного промежутка резко снижается, а его сопротивление R_MЭтакже резко возрастает, как показано пунктиром на рис. 2.1, б, и дуга обрывается.

После зажигания напряжение на дуге снижается от U₃ до прибли­зительно постоянной величины U_д и сохраняется на этом уровне до сле­дующего угасания в момент t₄. Ток после зажигания резко возрастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, достигая максимума в момент t₃. Оценивая осциллограммы (рис. 2.1,а) в целом, заметим, что кривые тока и напряжения дуги отличаются от синусоидальных. Как по­казано выше, это объясняется нелинейностью нагрузки, т. е. непостоянством активного сопротивления дуги, а также непостоянством характера разряда.

Рис. 2.2. Динамическая ха­рактеристика дуги перемен­ного тока

Динамическая вольт-амперная характеристика дуги и_д = f(i_д), от­ражающая связь мгновенных значений напряжения и тока при их быстром изменении, характерном для сварки на переменном токе частотой 50 Гц, показана на рис. 2.2. Ее можно построить по данным осциллограм­мы (рис. 2.1, а) или получить на осциллографе, подавая на горизонталь­ную развертку сигнал, пропорциональный току, а на вертикальную — напряжение дуги. Номера характерных точек на рис. 2.2 совпадают с ин­дексами точек осциллограммы (рис. 2.1,а). Здесь на участке 1-0 изобра­жен процесс угасания дуги в полупериоде обратной полярности, 0-2 — процесс зажигания в полупериоде прямой полярности, 2-3 — дуговой разряд при нарастании тока, 3-4 — дуговой разряд при спаде тока, 4-— угасание дуги и т. д.

На динамической характеристике легко фиксируются напряжение U₃ и ток I₃ повторного зажигания. Обращает на себя внимание большой пик напряжения зажигания обратной полярности U_3.ОБР. Дело в том, что в этот момент катодом является сравнительно холодная сварочная ванна с невысокой эмиссионной способностью. Заметно также, что максималь­ное значение тока в полупериоде прямой полярности выше, а напряжение ниже соответствующих величин для полупериода обратной полярности. Следовательно, дуга частично выпрямляет ток, наблюдается так называ­емый вентильный эффект. Динамическая характеристика на участке 2-3 нарастания тока проходит выше, чем на участке спада 3-4. Таким обра­зом, при частоте 50 Гц проявляется инерционность тепловых процессов в дуге. На участке 2-3 температура столба дуги ниже, чем на участке 3-4 (рис. 2.1, б), поэтому сопротивление дуги больше и напряжение дуги также выше.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги переменного тока U_д = f(I_д) строится не для мгновенных, а для действующих, т. е. среднеквадратичных значений. По рис. 2.1,а

В эксперименте такая характеристика получается при использовании приборов электромагнитной системы — вольтметра и амперметра. Ха­рактеристика U_д = f(I_д) подобна той, что была ранее описана для дуги постоянного тока (рис. 2.2). Поэтому для обеспечения устойчивого про­цесса последовательно со вторичной обмоткой трансформатора должен быть включен элемент, формирующий падающую характеристику ис­точника — резистор, катушка индуктивности или конденсатор.