Машинист крана-манипулятора 6-го разряда

При сварке плавящимся электродом источником энергии, обеспечивающим плавление электродного и основного металлов, является электрическая дуга. Ниже рассмотрены только некоторые данные, определяющие технологические свойства дуг в защитных газах.

Дугу, в отличие от других видов разрядов в газах, характеризуют низкое катодное падение потенциала, а следовательно, низкое общее напряжение дуги и высокая плотность тока. Электрическая дуга по длине имеет три области, отличающиеся физическими явлениями, протекающими в них (рис. 10). Области, непосредственно примыкающие к электродам, называют катодной (у отрицательного электрода) и анодной (у положительного электрода), а участок между ними столбом дуги. Протяженность катодной области равна примерно а анодной

Те части электродов, на которые опирается дуга и через которые проходит основной ток дуги, называют активными пятнами, на положительном электроде — анодным, а на отрицательном — катодным. Размеры катодного пятна обычно меньше, чем анодного. Распределение потенциала по длине электрической дуги неравномерное. Около электродов происходят скачки падения потенциалов, вызванные условиями прохождения электрического тока на границе между ионизированным газом и металлическими электродами. Общее падение напряжения на дуге

где Uk и Ua — соответственно катодное и анодное падение напряжения; UCT — падение напряжения в столбе дуги.

Столб дуги. Столб дуги или дуговая плазма — это совокупность электронов, ионов, возбужденных и невозбужденных нейтральных атомов и молекул. В столбе дуги непрерывно протекают процессы рождения (ионизации) и гибели (рекомбинации) заряженных частиц (электронов и ионов). Так как столб дуги содержит заряженные частицы, то он обладает электрической проводимостью. Поскольку масса электронов значительно меньше, чем масса ионов, то скорость первых выше скорости ионов, поэтому ток в дуге переносится в основном электронами. Параметры плазмы можно изменять в широких пределах путем изменения эффективного потенциала ионизации дугового газа, например активированием электродной проволоки или изделия. При этом снижение эффективного потенциала ионизации газа в столбе дуги приводит к уменьшению напряженности электрического поля и температуры столба, увеличению размеров дуги и, как следствие, понижению концентрации энергии дуги.

Характерная особенность любой дуговой плазмы заключается в термическом механизме возбуждения и ионизации, при котором ответственным за развитие ионизации являются электроны.

Поперечные размеры столба дуги, горящей в открытом объеме, определяются силой тока дуги, теплопроводностью газа, заполняющего дуговой промежуток, и давлением. Чем больше теплоотвод от столба дуги, давление и меньше сила тока дуги, тем меньше размеры столба. Теплопроводность атомарных газов с повышением температуры увеличивается плавно. В связи с этим температура от оси столба к периферии уменьшается также плавно. В молекулярных газах наблюдается иная картина. В центральной части столба основная часть молекул диссоциирована, а снаружи газ находится в молекулярном состоянии. Молекулы, попадая в зону высоких температур, диссоциируют, поглощая соответствующую энергию. В связи с этим поперечные размеры столба дуги в молекулярных газах (N2, СО2) меньше, чем в атомарных. Чем меньше диаметр дуги, тем выше плотность тока, следовательно, больше избыточное давление в столбе дуги, вызываемое собственным магнитным полем.

По данным ряда работ, температура дуги при сварке плавящимся электродом сравнительно невелика: 5000—6500 К . В дуге при сварке неплавящимся электродом она значительно выше. Сварочную дугу при использовании плавящегося электрода для сварки в защитных газах характеризует сильное излучение. Состав излучения и его интенсивность зависят от рода защитного газа, свариваемого металла и электрода, мощности дуги, размеров ее столба и давления.

Основным источником излучения является столб дуги. Спектр излучения различных дуг лежит в пределах длин волн 1700— 50000 А (рис. 11). Наиболее вредными для глаз и кожи человека являются ультрафиолетовые (1700—4000 А) и коротковолновые инфракрасные (7000—15000 А) лучи. Интенсивность ультрафиолетового излучения зависит от рода защитного газа и, по-видимому, материала электродов. Так, дугу в аргоне характеризует более интенсивное ультрафиолетовое излучение, чем дугу в углекислом газе.

Мощность, потребляемая столбом дуги от источника питания, отводится в окружающее пространство посредством теплопроводности, излучения и конвекции. В сварочных дугах потери энергии от конвекции невелики, и их можно не учитывать. Доля энергии, теряемой от теплопроводности и излучения, зависит от температуры столба дуги. Можно полагать, что в высокоамперных дугах при плавящихся электродах потеря энергии происходит в основном посредством излучения.

Катодная область. Процессы, протекающие в этой области, имеют основное значение в поддержании дугового разряда и получении стабильной дуги. Под действием электрического поля из столба дуги на катод свободно поступают ионы, образующиеся в плазме дуги. Эти ионы создают у катода положительный объемный заряд, что приводит к появлению катодного падения потенциала. Чтобы покинуть металл, электроны должны преодолеть некий потенциальный барьер, для чего им необходимо сообщить энергию, превосходящую работу выхода электронов из материала катода. Такую энергию электроны могут получить различными путями. Эмиссия электронов с поверхности катода может происходить под действием электрического поля положительного объемного заряда (автоэлектронная эмиссия) при нагреве катода до температуры, при которой возможна термоэлектронная эмиссия, при нейтрализации положительных ионов на катоде (ионно-электронная эмиссия), под действием фотоэлектронных и других явлений.

При сварке плавящимся электродом поверхность катодного пятна нагрета до температуры кипения, что всегда приводит к интенсивному испарению. Появление паров металла катода, имеющих, как правило, более низкий потенциал по сравнению с потенциалом дугового газа, приводит к понижению катодного падения потенциала. Например, нанесение на катод при сварке в защитных газах щелочных, щелочноземельных и редкоземельных элементов или их соединений уменьшает катодное падение и разогрев катода. Аналогично ведет себя добавка 2—5% О2 к аргону. Размеры катодного пятна и его подвижность зависят от материала и состояния поверхности катода, наличия на ней других элементов, а также силы тока дуги. В большинстве случаев при сварке плавящимся электродом катодное пятно беспорядочно перемещается (блуждает) по катоду. Размеры его с увеличением силы тока возрастают. Определить размеры катодного пятна на плавящемся электроде сильноточной дуги весьма трудно, поэтому сведения о его размерах часто противоречивы. Однако катодное пятно меньше столба дуги. Плотность тока в катодном пятне лежит в пределах 10³ — 10⁷ А/см² . С целью увеличения энергии, выделяющейся на катоде, следует стремиться увеличить катодное падение потенциала.

Анодная область. Ток в этой области переносится отрицательно заряженными частицами — электронами, а в случае наличия в дуговом промежутке газов, обладающих электроотрицательным потенциалом, также отрицательными ионами. В большинстве дуг у анода формируется отрицательный объемный заряд с положительным падением потенциала, ускоряющим движение отрицательно заряженных частиц по направлению к аноду. При этом устанавливается анодное падение потенциала Ua, обеспечивающее перенос заданного тока через переходную область между плазмой и анодом. Значение анодного падения потенциала в основном определяется параметрами плазмы, сечением анодного пятна и силой тока. При сварке плавящимся электродом анод, интенсивно испаряясь, поставляет в анодную область пары металла, обладающие низким потенциалом ионизации. Ионизация паров в анодной области приводит к увеличению концентрации ионов, в результате анодное падение потенциала уменьшается. Наличие в столбе дуги и анодной области электроотрицательных частиц приводит к повышению анодного падения потенциала и вызывает сужение дуги.

Сечение анодного пятна зависит также от силы тока дуги и интенсивности теплоотвода от анода. Размеры анодного пятна обычно больше размеров катодного. Анодное пятно также имеет тенденцию перемещаться по поверхности электрода, но оно менее подвижно, чем катодное.

Потоки плазмы. В электрических дугах, особенно при больших токах, наблюдаются потоки плазмы, исходящие из электродов. При сварке плавящимся электродом в защитных газах эти потоки оказывают большое влияние на характер плавления и перенос электродного металла, а также проплавление изделия. Основными причинами возникновения плазменных потоков являются интенсивное поверхностное испарение электродов в активных пятнах и сжатие столба дуги у электродов. Струя пара всегда выбрасывается перпендикулярно к испаряемой поверхности. Попадая в дугу, нейтральные атомы и молекулы возбуждаются, ионизируются и приобретают вид плазменных потоков. При наличии сужения дуги у электродов в результате изменения сечения столба по длине дуги возникает градиент плотности тока, а следовательно, и перепад избыточного давления, который приводит к осевому течению плазмы, направленному от электродов.

При сварке в защитных газах плавящимся электродом наблюдаются потоки плазмы с обоих электродов. Результирующий поток определяется их взаимодействием и может быть направлен как на изделие, так и на электрод. При этом потоки плазмы могут совпадать и не совпадать со столбом дуги. При сварке в углекислом газе, азоте и водороде на обратной полярности обычно доминирующим на средних и повышенных значениях силы тока является поток с анода.

Вследствие высокой концентрации теплоты в анодном пятне и слабой конусности дуги определяющим является испарение. Известно, что в этих случаях поток плазмы затрудняет перенос электродного металла в ванну. При сварке в аргоне, наоборот, из-за меньшей концентрации энергии в активных пятнах и большей конусности дуги при силе тока выше критической перемещение плазмы от электрода к изделию, по-видимому, определяется в основном собственным магнитным полем. При этом поток плазмы способствует переносу электродного металла и увеличению узкого глубокого проплавления в центре шва.

Вольт-амперная характеристика дуги. Вольт-амперную характеристику (ВАХ) между установившимися значениями напряжения и силы тока при постоянной длине дуги называют статической, а между неустановившимися — динамической. На рис. 12 приведены статические ВАХ ряда свободно горящих дуг при сварке в защитных газах плавящимся электродом.

Как следует из этих данных в диапазоне рабочих токов при сварке плавящимся электродом вольт-амперные характеристики слегка возрастающие. При малых значениях силы тока вольт-амперная характеристика может быть жесткой и падающей.

Возрастание ВАХ с увеличением силы тока можно объяснить тем, что в рабочем диапазоне токов замедляется рост концентрации заряженных частиц, а увеличению сечения столба препятствует собственное магнитное поле и магнитное поле тока, текущего по электроду. С увеличением длины дуги крутизна подъема вольтамперных характеристик также несколько увеличивается. Форму статической ВАХ определяют род защитного газа, диаметр и материал плавящегося электрода. Это обусловлено изменением параметров плазмы дуги, что находит свое выражение в различной напряженности электрического поля Е, изменении приэлектродных падений потенциала и значение Е повышаются. Эти параметры также увеличиваются при замене аргона гелием и углекислым газом. Особенно большие их значения обнаружены при сварке в водяном паре и под водой, что может быть объяснено присутствием в зоне дуги водорода.

Динамические ВАХ (рис. 13), описывающие свойства импульсной дуги, устанавливают соотношение между напряжением и силой тока, изменяющейся во времени, и содержат три переменных:

Начало характеристики лежит в точке А, координаты которой определяются начальными значениями напряжения и силы тока дуги. При скоростях нарастания силы тока выше скоростей ионизации или при спаде силы тока со скоростью больше скорости деионизации динамическая ВАХ имеет петлеобразную форму (появляется так называемый гистерезис тока). Таким образом, гистерезис характеризует инерционность тока дуги, обусловленную инерционностью процессов ионизации-деионизации. Отсутствие гистерезиса динамических характеристик при малых скоростях изменения силы тока свидетельствует об отсутствии инерционности тока дуги. В этом случае можно считать, что динамическая ВАХ совпадает со статической при условии сохранения неизменной длины дуги за время изменения силы тока. Увеличение амплитуды импульса тока и скорости его изменения приводит к увеличению гистерезиса. Изменение рода защитного газа не изменяет положения ветвей динамической вольт-амперной характеристики при нарастании и спаде силы тока.

Однако форма петли зависит от рода защитного газа.

Это может быть объяснено тем, что скорости ионизации и деионизации в различных газах различны.

В реальных условиях при сварке в защитных газах плавящимся электродом с постоянной скоростью подачи проволоки ток и напряжение изменяются, а в ряде случаев процесс ведут с перерывами в горении дуги. Стабильное течение процесса сварки в этих случаях достигается за счет саморегулирования, обнаруженного В. И. Дятловым в 1941 г. Поэтому за основные электрические характеристики, единые для всех процессов, могут быть приняты напряжение и сила тока сварки, которые для общего случая имеют вид

Величина включает в себя падение напряжения на дуге, вылете электрода и переходном контакте между токоподводом и электродной проволокой. В некоторых случаях при сварке стационарной дугой проволокой больших диаметров с малым удельным электрическим сопротивлением напряжение сварки близко к напряжению дуги .В большинстве же случаев является сложной функцией и определяется как среднее или действующее значение по осциллограммам изменения напряжения в процессе сварки. В общем виде процесс сварки в защитных газах плавящимся электродом стационарной и нестационарной дугой может быть описан вольт-амперными характеристиками устойчивого течения процесса сварки которые выражают зависимость между напряжением сварки и при сварке с постоянной скоростью подачи электродной проволоки. Эти характеристики зависят от рода защитного газа, диаметра и состава электродной проволоки, программы изменения энергии процесса, силы тока, полярности, вылета и нагрева электрода, а также от внешних характеристик источника питания По ВАХ устойчивого течения процесса сварки в аргоне и углекислом газе (рис. 14) видно, что с увеличением скорости подачи электродной проволоки кривые смещаются в сторону больших токов, изменяя наклон. Так, при сварке на малых токах (при малых скоростях подачи проволоки), в пределах которых процесс протекает с короткими замыканиями, повышение напряжения приводит к уменьшению силы сварочного тока.

При сварке на больших токах (больших скоростях подачи проволоки), когда процесс протекает с редкими короткими замыканиями или без них, с увеличением напряжения сила тока возрастает. При этом, чем больше скорость подачи проволоки, тем больше увеличивается сила тока с повышением напряжения. По-видимому, основной причиной этого является увеличение потерь на излучение с увеличением силы тока дуги, а также изменение вылета электрода. При питании от источника с жесткой ВАХ увеличение вылета приводит к уменьшению . При питании от источника с падающей ВАХ изменение и длины дуги меньшее. Изменение рода защитного газа и диаметра электрода не меняет отмеченной закономерности. С уменьшением диаметра электрода изменение наклона кривых проявляется более резко. Изменение состава электродной проволоки отражается на наклоне вольт-амперных характеристик процесса в том случае, если изменяется удельное электрическое сопротивление электрода: с его увеличением наклон ВАХ увеличивается. Уменьшение вылета электрода приводит к увеличению силы сварочного тока и тем большему, чем больше изменение падения напряжения на вылете. Внешние характеристики устойчивого течения процесса сварки используются для настройки режима сварки, оценки влияния ВАХ источников питания на стабильность процесса сварки и др. Было установлено, что наклон вольт-амперных характеристик источников постоянного тока влияет на интенсивность кратковременных изменений длины дуги при хаотических перемещениях катодного и анодного пятен по поверхности капли и ванны. Длина дуги при кратковременных смещениях анодного пятна по капле при сварке на обратной полярности и питании от источника с падающей ВАХ (наклон )примерно в 1,5—1,8 раза больше, чем при питании от источника с жесткой (пологопадающей) ВАХ В результате таких хаотических (кратковременных) удлинений дуги размеры столба дуги больше, чем при жесткой ВАХ. Дуга более эластична и растягивается на большую длину.