Описание строения сварочной дуги постоянного и переменного тока.

С варочная дуга – мощный, стабильный, светящийся электрический разряд в ионизированной атмосфере газов, паров металла и веществ, входящих в состав электродных покрытий. Сварочная дуга загорается и поддерживается энергией, получаемой от источника питания постоянного или переменного тока. Приоритет в практическом использовании сварочной дуги принадлежит российским инженерам (приложение).

Для протекания электрического тока через газ необходимы заряженные частицы: электроны и ионы. Образование таких частиц в газовом промежутке между электродами происходит следующим образом. В начале необходимо зажечь дугу. Процесс зажигания дуги в большинстве случаев включает три этапа.

1. Осуществляют короткое замыкание электрической цепи соприкосновением конца электрода на заготовку. При этомв месте контакта выделяется значительное количество теплоты Q согласно закону Джоуля – Ленца:

Q = I ²· R ∙τ, Дж, (1.1)

где I – сила тока, А;

R – сопротивление, Ом;

τ – время прохождения тока, с.

Ток короткого замыкания практически мгновенно расплавляет металл в месте контакта.

2. Для горения дуги, после короткого замыкания, электрод и изделие необходимо раздвинуть друг от друга на расстояние 3…6 мм. При этом благодаря тепловой энергии, с поверхности электрода происходит испускание электронов (термическая эмиссия). Под действием электрического поля эти электроны устремляются к изделию и на своём пути сталкиваются с нейтральными частицами воздуха. При столкновении происходит отрыв от нейтрального атома или молекулы одного или нескольких электронов, что и называется ионизацией.

3. Процесс зажигания дуги заканчивается возникновением устойчивого дугового разряда.

 

3. Схема опыта, применяемого при изучении стабильности горения дуги, и табл. 1.2. с результатами опытов.

При сварке на постоянном токе электрод, подсоединенный к положительному полюсу источника питания дуги, называют анодом, а к отрицательному ‒ катодом. Если сварка ведется на переменном токе, каждый из электродов является попеременно то анодом, то катодом.

Строение дуги постоянного тока и распределение потенциалов по длине дугового промежутка представлены на рис. 1.1.

В сварочной дуге четко выражены три области:

1) катодная область l _к, прилегающая к катоду К (–) с разогре-тым катодным пятном 1. Основным физическим процессом в этой области является электронная эмиссия и разгон электронов. Температура катодного пятна для стальных электродов достигает 2400 … 2700 °С;

2) столб дуги l _ст – это ионизированный газ, который содержит атомы газов, паров металла и покрытия, нейтральные молекулы, свободные электроны и ионы. Столб дуги занимает наибольшую протяженность дугового промежутка и располагается между катодной и анодной областями. Основным процессом образования заряженных частиц (электронов, положительных ионов и отрицательных ио­нов) здесь является ионизация газа.

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 и она достигает от 6000 и более 8000 °С;

3) анодная область l_а включает анодное пятно 2 и часть дугового промежутка, примыкающего к аноду А (+). Ток в анодной области определяется потоком электронов, идущих из столба дуги. Анодное пятно является местом входа и нейтрализации свободных электронов в материале анода. Электрон, попавший на анодную поверхность, отдает металлу не только запас кинетической энергии, но и энергию в виде теплового излучения. Вследствие этого температура анода всегда выше и на нем выделяется больше тепла.

Длиновые размеры приэлектродных областей очень малы и составляют: катодной области l _к ≈10^-5…10^{-7 м; анодной области} l_а ≈10^-4…10^-5 м. Промежуток между электродами называют областью дугового разряда или дуговым промежутком. Длину дугового промежутка называют длиной дуги l _д.

Сварочная дуга является частью электрической сварочной цепи, и на ней происходит падение напряжения. Распределение падения напряжения по длине дугового промежутка (напряжения дуги U _д) зависит от физических условий, в которых горит сварочная дуга, и является суммой падения напряжений в приэлектродных областях U _к + U _а и столба дуги U _ст (см. рис. 1. 1):

U _д= U _к + U _ст + U _а. (1.2)

Для сварочной дуги при плавящемся электроде характерно

U _к > U _а и U _к + U _а > U _ст.

Для большинства практически используемых режимов сварки принимают U _к=10…20 В, U _а=2…5 В и они не зависят от длины дуги и тока, а зависят от концентрации заряженных частиц в приэлектродных областях. Падение напряжения столба дуги U _стсущественным образом зависит от величины сварочного тока I _д, защитной среды, материала электродов и может изменяться от 6 до 40 В. Выражение (1.2) падения напряжения в дуговом промежутке можно записать в виде:

U _д= а + в · l _д, (1.3)

где а = U _к + U _а; – градиент напряжения в столбе, рав-ный 1…4 В/мм или в среднем – 2,5 В/мм. Таким образом, падение напряжения в столбе дуги длиной 4 мм составляет:

U _ст= в ∙ l _д=2,5∙4=10 В.

 

Основным свойством любой электрической цепи, в том числе и сварочной дуги, является способность проводить ток, которая оценивается с помощью вольт-амперной характеристики (ВАХ). Зависимость напряжения на дуге от её тока в установившемся режиме (при постоянстве длины и проводимости дугового промежутка) называется статической вольт-амперной характерис-тикой дуги, т. е. U _д= f (I _св) при l _д = const.

Статическая ВАХ сварочной дуги содержит три участка: падающий, жёсткий и возрастающий (рис. 1. 2). Для объяснения природы появления этих трех участков ВАХ сварочной дуги (газового проводника) можно воспользоваться с некоторой погрешностью законом Ома [1]:

(1.4)

где ρ – удельное электросопротивление дуги, мкмОм·м;

S _ст – площадь сечения столба дуги, мм²;

j _ст = – плотность тока, А/мм²;

– электропроводность дуги;

l _ст, l _д – соответственно длина столба дуги и длина дуги, мм. Можно принять l _cт ≈ l _д, мм,ввиду малых значений l _к и l _а.

Рис. 1.2. Вольтамперные статические характеристики дуги [2]:

1 – падающий участок; 2 – жесткий участок; 3 – возрастающий участок

Падающую вольт-амперную характеристику имеет дуга при сварочном токе до 80…100 А (cм рис. 1.2 – участок 1). На этом участке в сварочной дуге с увеличением сварочного тока более интенсивно протекает ионизация, возрастает проводимость столба дуги γ_ст и увеличивается площадь его поперечного сечения S _ст, которые в уравнении (1.4) находятся в знаменателе и приводят к снижению напряжения дуги. Кроме того, увеличение силы тока в пределах этого участка сопровождается опережающим темпом роста площади катодного пятна с диаметром d _к, что приводит к уменьшению плотности тока j _ст, а, следовательно, и к снижению напряжения на дуге. Сварочная дуга с падающей вольт-амперной характеристикой имеет малую устойчивость.

Жесткую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 80 до 350 А (cм. рис. 1.2– участок 2). На этом участке увеличение тока сопровождается пропорциональным в столбе дуги возрастанием его площади поперечного сечения и поэтому плотность тока j _ст не изменяется. Проводимость дугового промежут-ка γ_ст при этом остается без изменения, поскольку температура дуги достигает своего максимального значения. В результате падение напряжения на дуге тоже не изменяется. Таким образом, в области практических режимов сварки напряжение на дуге не зависит от тока (жесткий участок), а зависит только от длины дуги (см. уравнение 1.5). Такая дуга широко применяется в сварочной технике.

Возрастающую вольт-амперную характеристику имеет сварочная дуга при токах от 300 А и выше (см. рис. 1. 2 – участок 3). На этом участке при увеличении сварочного тока напряжение дуги снова возрастает. Напряжение дуги в этом случае растет не за счет увеличения площади поперечного сечения активного пятна катода, которое занимает весь торец электрода, а вследствие увеличения плотности тока j _ст.

Особенности дуги переменного тока

Устойчивость горения сва­рочной дуги переменного тока, ниже, чем дуги постоянного тока. Это связано с тем, что переменный ток частотой 50 Гц в дуге 100 раз в секунду (через каждые 0,01 с) проходит через нуль (рис. 1.3). В про­цессе перехода тока через нуль и изменения полярности в начале и конце каждого полупериода дуга угасает. При этом снижается температура дуги, снижается ионизация газовой смеси в приэлектродных областях и в столбе дуги, уменьшается проводимость дугового промежутка. До тех пор, пока напряжение источника тока U _и меньше напряжения повторного зажигания U _з (пика зажигания), дуга загореться не может. При синусоидальной кривой напряжения источника питания загорание дуги произойдёт через промежуток времени t _в в точке А, когда величина напряжения источника U _и достигнет напряжения зажигания U _з. После зажигания дуги будет происхо-дить изменение напряжения на дуге U _д и в точке В, в которой напряжение источника станет ниже напряжения горения дуги, дуга погаснет. Синусоидальность напряжения приводит к тому, что при смене полярности дуга переменного тока загорается не сразу, а спустя некоторое время, соответствующее времени возбуждения дуги t _в, пока синусоидальное напряжение источника U _и не достигнет значения зажигания дуги U _з в точке А ₁ (см. рис. 1.3).

 

 

Интервал времени от времени угасания τ_у до времени возбужде-ния τ_в называется временем перерыва t _п в горении сварочной дуги. В этот интервал времени ток I _д, протекающий по сварочному контуру, не равен нулю. Это объясняется тем, что в дуговом промежутке в данный момент времени активное пятно катода еще способно излучать электроны, а также наличием плазменных потоков в столбе дуги. В дуговом промежутке в течение времени t _п наблюдается тлеющий разряд, а не дуговой. В момент времени τ = τ _внапряжение дуги U _ддостигает необходимого значения напряжения повторного возбуждения сварочной дуги U_з и в дуговом промежутке создается напряженность электрического поля такого значения, при котором начинается интенсивное зарождение свободных электронов, приводящее к восстановлению дугового разряда.

Для повышения стабильности горения дуги переменного тока необходимо, чтобы время перерыва (τ _в +τ _у) было по возможности меньше. Значение времени перерыва можно определить из закона синусоидальности переменного тока:

U ₃= U _T ∙ sin (ω τ _в), (1.5)

отсюда sin (ω τ _в)= U ₃ / U _T,

где ω – угловая частота тока, равная (ω = 2 π f).

Отсюда тогда время перерыва составит

τ _в + τ _у ≈ 2 τ _в = (1.6)

Из выражения (1.6) следует, что повысить стабильность горения дуги переменного тока, т. е. уменьшить время перерыва τ _в+ τ _у в горе-нии сварочной дуги, можно осуществить:

1) увеличением амплитудного значения напряжения источника питания U _т, т. е. напряжения холостого хода U _х сварочного трансформатора. Однако повышение напряжения холостого хода ограничено условиями электробезопасности при проведении сварочных работ и технико-экономическими показателями источников питания (увеличение габаритных размеров источника питания, расход обмоточных материалов и т. д.). Поэтому для источников питания переменного тока принято отношение между напряжением холостого хода источника и напряжением дуги U _х/ U _д > 1,8…2,5. Напряжение холостого хода не должно превышать 80…90 В;

2) увеличением частоты переменного тока, что требует дополнительных устройств (см. работу № 2 – инверторные источники);

3) снижением напряжения зажигания дуги за счет введения в состав покрытия электродов веществ с низким потенциалом ионизации.

В зависимости от толщины покрытия электроды разделяются на тонкопокрытые, с толщиной слоя обмазки 0,1…0,3 мм и толстопокрытые, с толщиной слоя обмазки до 2 мм.

Тонкие покрытия предназначаются для увеличения устойчи-вости горения дуги и поэтому часто называются ионизирующими покрытиями. Наиболее распространённым ионизирующим покры-тием является меловое, состоящее по массе из 80…85 % мелко просеянного мела СаСО₃ и 15…20 % жидкого натриевого стекла Na₂O·SiO₂. Сварные швы, выполненные этими электродами, из-за отсутствия защиты расплавленного металла обладают низким пределом прочности и низкой пластичностью. Для получения сварных швов с высокими показателями прочности и пластичности пользуются электродами с толстым покрытием. Поэтому эти покрытия называют качественными. Качественное покрытие выполняет следующие функции: обеспечивает устойчивое горение дуги; защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха; раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак; изменяет состав наплавляемого металла вводом в него легирующих примесей; удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва.

К первой группе можно отнести ионизирующие вещества, которые вводятся для снижения эффективного потенциала ионизации (табл. 1.1). Они обеспечивают стабильное горение дуги.

Таблица 1.1

Значение потенциалов ионизации металлов, применяемых в покрытиях

 

Элементы	К	Na	Ba	Li	Al	Ca	Cr	Ti	Mn
U, В	4,32	5,12	5,19	5,37	5,96	6,03	6,74	6,81	7,4
Элементы	Fe	Si	С	Н*	О*	N*	Ar*	Не*
U, В	7,83	7,94	11,22	13,53	13,56	14,51	15,7	21,5
*) элементы, содержащиеся в воздухе (в межэлектродном промежутке)

 

В основном это соли щелочных и щелочноземельных металлов (К, Na, Ca, Ва, Li и др.). Они чаще применяются в виде:

1) углекислых солей: мел (мрамор) СаСО₃, поташ К₂СО₃, углекислый барий ВаСО₃, сода Na₂CO₃;

2) соединений: хромата калия K₂CrO₄, титанового концентрата (FeO∙TiO₂), марганцевой руды (MnO₂∙Mn₂O₃), полевого шпата (К₂О∙Al₂O₃∙6SiO₂), плавикового шпата (CaF₂) и др.

Ионизация газовой среды характеризуется степенью ионии-зации, т. е. отношением числа заряженных частиц в данном объеме к первоначальному числу частиц (до начала ионизации). При полной ионизации степень ионизации будет равна единице. Из рис. 1.4. вид-но, что при температурах 6000…8000 ºС такие вещества как калий, натрий, кальций и другие обладают достаточно высокой степенью ионизации.

Ко второй группе относятся газообразующие, и шлакообра-зующие вещества, которые создают в зоне дуги газовую защитную оболочку, а в зоне шва – шлаковую защиту расплавленного металла шва. К газообразующим можно отнести неорганические (мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃ и др.) и органические (крахмал, древесная мука и т. п.) вещества. Все эти вещества образуют защитный барьер из CO₂ вокруг сварочной ванны.

При помощи шлакообразующих компонентов вокруг сварочной ванны создается защитная шлаковая пленка, препятствующая окисли-тельным процессам. Они представляют собой руды (титановые и марганцевые) и различные минералы (полевой шпат, гранит, кремнезем, плавиковый шпат).

Третью группу представляют легирующие вещества, которые в процессе сварки переходят из покрытия в металл шва и легируют его для придания тех или иных физико-механических свойств. К этой же группе можно отнести раскисляющие вещества, которые благо-даря большому сродству к кислороду очищают металл шва от окис-лов и выводят их в шлак. Легирующие элементы и раскислители – кремний, марганец, титан, алюминий и другие, а также сплавы этих элементов с железом в виде ферромарганца, ферросилиция и ферро-титана. Их применяют для наполнения сварочной ванны легирую-щими элементами, придавая металлу нужный состав. Алюминий как раскислитель вводится в покрытие в виде порошка-пудры;

К четвёртой группе - связующие вещества для придания покрытию монолитности и определенной прочности после его высыхания. В качестве связующего вещества, как уже упоминалось, часто применяют водные растворы силикатов натрия, называемые жидким стеклом Na₂O·SiO₂.

Для повышения производительности (для увеличения количест-ва наплавляемого металла в единицу времени) и облегчения повтор-ного зажигания дуги в электродные покрытия вводят железный поро-шок. Его содержание может достигать до 60 % массы покрытия. Таким образом, во все группы веществ, образующих покрытие, входят элементы (см. табл. 1.1 и рис. 1.4) с низким потенциалом ионизации в виде различных химических соединений.