Физические и технологические свойства сварочной дуги

С в а р о ч н а я д у г а представляет собой электрический дуговой разряд в ионизированной смеси газов, паров металла и компонентов, входящих в состав электродных покрытий, флюсов и т. д.

Электрический дуговой разряд может быть постоянного, переменного или импульсного тока. В ряде современных сварочных процессов используют модуляцию (амплитудную, частотную или фазовую) тока дуги.

Классификация сварочных дуг наиболее часто производится: по подключению к источнику питания, по применяемым электродам, по степени сжатия дуги, по полярности постоянного тока, по длине.

По применяемым электродам различают дугу с плавящимся или неплавящимся электродом (рис.2.6). В качестве плавящихся электродов используют металлическую проволоку, ленту, стержни. Неплавящиеся электроды – угольные или из тугоплавкого металла (вольфрамовые).

		Рис. 2.6. Дуговые разряды при плавящемся (а) и неплавящемся (б) электродах
а	б

По подключению к источнику питания выделяют дуги прямого действия, косвенного действия и комбинированные.

Электрическая дуга прямого действия горит между электродом 1 и изделием 2 (рис.2.7, а). Такая дуга применяется при дуговой сварке покрытыми электродами, при сварке неплавящимся электродом в защитных газах и при сварке плавящимся электродом под флюсом или в защитных газах.

а	б	в

Рис. 2.7. Сварочная дуга прямого действия (а), косвенного действия (б)

и комбинированная (в)

В сварочной дуге косвенного действия электрический разряд происходит между электродами 1 (рис. 2.7, б). Изделие 2 в электрическую цепь не включено. Это позволяет производить сварку и термическую резку неметаллических материалов. Для металлов дугу косвенного действия используют в специальных способах сварки.

Комбинированная дуга, в случае питания трехфазным током, представляет собой два дуговых разряда между электродами 1 и изделием 2 и третий – между электродами (рис.2.7, в). Комбинированная дуга используется в высокопроизводительных способах сварки под флюсом.

По полярности постоянного тока выделяют дуговые разряды прямой и обратной полярности (рис. 2.8).

		Рис. 2.8. Прямая (а) и обратная (б) полярности при сварке на постоянном токе
а	б

Для облегчения запоминания схем, представленных на рис.2.8, можно использовать следующую фразу: "Сварочный электрод – "прямой", похож на "минус", и если на электроде отрицательный потенциал, то сварка ведется на прямой полярности".

По степени сжатия дуги различают свободную и сжатую сварочные дуги (рис.2.9). Сжатие сварочной дуги осуществляют потоком газа в узком канале (рис.2.9, а). Сжатая дуга (прямого или косвенного действия) обеспечивает более высокий и концентрированный нагрев, чем свободная, и используется при плазменной сварке и резке.

		Рис. 2.9. Свободная (а) и сжатая (б) сварочные дуги
а	б

По длине дугового разряда сварочные дуги делят на короткие (2 – 4 мм), нормальные (4 – 6 мм) и длинные (свыше 6 мм).

Возбуждение дуги осуществляется контактным (разведением короткозамкнутых электродов, промежуточной вставкой и т.д.) или бесконтактным (импульсом высоковольтного высокочастотного напряжения) методами.

Возбуждение дуги после короткого замыкания электродов связано со следующими явлениями. Короткозамкнутые электроды (электрод и изделие) контактируют по микровыступам на соприкасающихся поверхностях. Проходящий через электроды электрический ток вызывает расплавление и испарение контактных мостиков. Основания испарившихся микровыступов, нагретые до температуры кипения, служат источниками термоэлектронной эмиссии. При последующем удалении конца электрода с поверхности изделия (на расстояние 2 – 4 мм) поток электронов, обусловленный в основном термоэлектронной эмиссией, вызывает ионизацию газа в межэлектродном пространстве. Возникает дуговой разряд. Во время горения дуги электропроводность газа увеличивается за счет паров металла электродов, нагрева газа, автоэлектронной эмиссии (эмиссии электронов под действием электрического поля) и других процессов.

Возбуждение дуги импульсом высоковольтного высокочастотного напряжения проходит через стадии лавинного и тлеющего разрядов, переходящих по мере роста тока в дуговой разряд. Высоковольтное высокочастотное напряжение, используемое для поджига сварочной дуги, создается специальными устройствами – осцилляторами.

Строение сварочной дуги.В сварочной дуге выделяют катодную и анодную приэлектродные области и дуговой промежуток между приэлектродными областями – с т о л б д у г и. Участки электродов, через которые проходит основной ток дуги, называются к а т о д н ы м и а н о д н ы м п я т н а м и (рис.2.10, а).

Рис. 2.10. Строение сварочной дуги (а) и падение напряжения U по оси дугового разряда X (б)

Катодная область имеет протяженность l_к ~ 10^–2 мм для неплавящегося (вольфрамового) катода и около 10^–4 мм для плавящегося. Из катодного пятна происходит эмиссия электронов, которые, ускоряясь электрическим полем в прикатодной области, попадают в столб дуги. Из столба дуги к катодному пятну движутся положительные ионы. Они создают объемный положительный электрический заряд, что обусловливает наличие катодного падения напряжения U_к (рис.2.10, б). Для тугоплавкого катода (вольфрамового) U_к = 1 ... 4 В, а для плавящегося U_к = 6 ... 21 В. Величина U_к изменяется в зависимости от тока дуги, материала катода, состава атмосферы дуги и т.д.

Анодная область имеет протяженность, примерно равную длине свободного пробега электрона (l_а ~ 10^–3 мм). В ней образуется объемный отрицательный заряд, вызывающий резкое падение напряжения, называемое анодным U_a. Электроны, проходя анодную область, резко увеличивают скорость своего движения и, попадая на анодное пятно, тормозятся и нейтрализуются. При этом поверхностные слои электрода в анодном пятне разогреваются до температуры кипения материала анода. Для неплавящегося (вольфрамового) анода U_a = 5 ... 7 В, а для плавящегося U_a = 5 ... 9 В. Анод и анодная зона не являются источниками заряженных частиц в дугу и по этой причине слабо влияют на параметры дугового разряда по сравнению с катодной зоной и катодом.

Плазма столба дуги представляет собой смесь электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. Падение напряжения в столбе дуги U_ст линейно изменяется по длине дугового промежутка. Столб дуги можно считать электрически нейтральным. В каждом выделенном сечении столба дуги одновременно находятся примерно равные количества заряженных частиц противоположных знаков.

Температура столба дуги T_ст (табл.2.2) зависит от эффективного, т.е. усредненного с учетом концентрации, потенциала ионизации газов, заполняющих дуговой промежуток, напряженности поля, плотности тока в электроде, полярности и др. Температура столба дуги по его сечению неодинакова. Наибольшую температуру имеет центральная часть столба дуги.

Таблица 2.2

Температура столба дуги при различных способах сварки сталей

Способ сварки	Tст, К
Сварка покрытыми электродами	5000 – 7000
Сварка под флюсом	6000 – 7500
Сварка в углекислом газе	8000 – 9000
Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом	10000 – 18000
Плазменная сварка (сварка сжатой дугой) с аргоном в качестве плазмообразующего газа	11000 – 24000
Сварка неплавящимся электродом в среде гелия	18000 – 25000

Длина дуги составляет . Напряжение на дуге . Для наиболее распространенных способов дуговой сварки в большинстве случаев l_д = 2 ... 8 мм, U_д = 10 ... 40 В.

Дуга – нелинейный элемент электрической цепи, у которого отсутствует пропорциональная зависимость между током и напряжением. Зависимость между установившимися значениями напряжения U_д и тока I_св при постоянной длине дуги называют с т а т и ч е с к о й в о л ь т - а м п е р н о й х а р а к т е р и с т и к о й д у г и.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги имеет три характерные области (рис.2.11).

При малых значениях силы тока (участок I) возрастание тока вызывает увеличение площадей анодного и катодного пятен и рост числа заряженных частиц в межэлектродном промежутке. В результате сопротивление дуги снижается и напряжение на дуге уменьшается. Вольт-амперная характеристика дуги на участке I является крутопадающей.

Рис. 2.11. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

В горизонтальной области ВАХ (участок II – жесткая характеристика) площади активных пятен и столба дуги продолжают расти пропорционально току, а падения напряжения в приэлектродных областях и столбе дуги остаются практически постоянными и не зависят от тока.

Участки ВАХ I и II используются во всем диапазоне режимов сварки покрытыми электродами, неплавящимся электродом и под флюсом.

На участке III происходит интенсивное сжатие столба дуги и ВАХ становиться возрастающей. Данный участок ВАХ характерен для сварки плавящимся электродом в защитных газах и на форсированных режимах под флюсом.

Стабильное горение дуги обеспечивается при соответствии ВАХ дуги и внешней вольт-амперной характеристики источника питания.

Различают источники питания сварочной дуги с крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастающей вольт-амперными характеристиками (рис.2.12).

Рис. 2.12. Внешние вольт-амперные характеристики источников питания сварочной дуги

При условии правильного соответствия (табл.2.3) в точке пересечения ВАХ дуги и источника питания выполняются условия: , , , где R_у – общее динамическое сопротивление дуги и источника питания; U_д, U_и – напряжение дуги и источника питания в установившемся режиме; I_д, I_и – ток дуги и источника питания в установившемся режиме.

Таблица 2.3

Соответствие источника питания

вольт-амперной характеристике сварочной дуги

ВАХ дуги	Внешняя ВАХ источника питания
Крутопадающая	Пологопадающая	Жесткая	Возрастающая
Падающая	+++	+++	–	–
Жесткая	+++	+++	–	–
Возрастающая	–	–	+++	+++

П р и м е ч а н и е: +++ – соответствует; – – не соответствует

М а г н и т н ы м д у т ь е м называют отклонения дуги от нормального положения во внешнем магнитном поле. Магнитное дутье обусловлено взаимодействием собственного магнитного поля дуги с магнитным полем сварочного контура или с ферромагнитными массами (рис.2.13).

Рис. 2.13. Магнитное дутье, обусловленное действием на дугу ферромагнитных масс (массивных стальных деталей)

Ориентация магнитного поля сварочного контура во многом определяется расположением места токоподвода к изделию, что обусловливает наличие (рис.2.14, а, б) или отсутствие (рис.2.14, в) магнитного дутья.

а	б	в

Рис. 2.14. Отклонения дуги при неправильно выбранном месте

токоподвода к изделию (а, б) и нормальное положение сварочной дуги (в)

При сварке наклонным электродом чем больше угол наклона, тем сильнее дуга выдувается в сторону, противоположную от наклона электрода (рис.2.15).

Рис. 2.15. Магнитное дутье при сварке наклонным электродом

При сварке на переменном или пульсирующем токе магнитное дутье выражено значительно более слабо, чем при сварке на постоянном токе.

Для предотвращения магнитного дутья применяют сварку короткой дугой; осуществляют подвод сварочного тока к изделию в точке, максимально близкой к дуге; регулируют наклон электрода; размещают у места сварки компенсирующие ферромагнитные массы (рис. 2.16); используют в качестве источников питания сварочной дуги трансформаторы (сварка на переменном токе) или инверторные источники питания (сварка на постоянном токе, имеющем высокочастотные пульсации).

Рис. 2.16. Использование компенсирующей ферромагнитной массы (1) для предотвращения магнитного дутья

Вопросы для самоконтроля

1. Как классифицируют сварочные дуги?

2. Дайте характеристику методов возбуждения дуги.

3. Приведите основные параметры областей дугового промежутка.

4. Как соответствуют различные участки статической вольт-амперной характеристики дуги внешним вольт-амперным характеристикам источников питания и чем обусловлено данное соответствие?

5. Предложите практические мероприятия по уменьшению или предотвращению магнитного дутья.