Основы электрической дуговой сварки

Электрическая сварочная дуга представляет собой устойчивый длительный электрический разряд в газовой среде между твердыми или жидкими электродами, находящимися под напряжением, сопровождающийся выделением большого количества теплоты. Электрический разряд в газе есть электрический ток, проходящий через газовую среду благодаря наличию в ней свободных электронов, а также отрицательных и положительных ионов, способных перемещаться между электродами под действием приложенного электрического поля (разности потенциалов между электродами). Условия зажигания и горения дуги. Сварочная дуга должна иметь определенные технологические условия, обеспечивающие ее быстрое зажигание, устойчивое горение, малую чувствительность к изменениям ее длины в определенных пределах, быстрое повторное зажигание (возбуждение) после обрыва, необходимое проплавление основного металла. Условия зажигания и устойчивого горения дуги зависят от таких факторов, как состав обмазки при сварке штучными электродами, род тока (постоянный или переменный), прямая или обратная полярность при сварке на постоянном токе, диаметр электрода, температура окружающей среды. Для зажигания дуги требуется напряжение большее по величине, чем напряжение для горения дуги. Напряжение, подводимое от источника питания к электродам при разомкнутой сварочной цепи, является напряжением холостого хода. При сварке на постоянном токе напряжение холостого хода не превышает 90 В, а на переменном токе – 80 В. В момент горения дуги напряжение, подаваемое от источника питания, значительно снижается и достигает величины, необходимой для устойчивого горения дуги. В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости Напряжение, подводимое от источника питания к электродам при разомкнутой сварочной цепи, является напряжением холостого хода.

При сварке на неизменном токе напряжение холостого хода не превосходит 90 В, а на переменном токе – 80 В. В момент горения, дуги напряжение, подаваемое от источника питания, существенно понижается и добивается величины, нужной для устойчивого горения дуги. В процессе горения дуги ток и напряжение находятся в определенной зависимости. Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи, при условии неизменной длины дуги, именуют статической вольт-амперной чертой дуги. С повышением тока напряжение существенно миниатюризируется, потому что при повышении силы тока возрастает поперечное сечение столба дуги и его проводимость. Вольт-амперная черта будет падающей и дуга пылает нестабильно. При увеличении тока напряжение сохраняет постоянную величину, потому что поперечное сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен растут пропорционально току. Вольт-амперная черта будет жесткой, дуга пылает стабильно, и обеспечивается обычный процесс сварки.

Повышение тока вызывает возрастание напряжения, потому что повышение плотности тока больше определенного значения не сопровождается повышением катодного пятна из-за ограниченного поперечного сечения электрода, при всем этом вольт-амперная черта будет растущей. Дуга с вольт-амперной чертой используется при сварке под флюсом и в защитных газах. Таким образом, первым условием зажигания и горения дуги является наличие электронного источника питания дуги достаточной мощности, позволяющего стремительно нагревать катод до высочайшей температуры при возбуждении дуги. Более полная стабилизация горения дуги достигается также при достаточной степени ионизации столба дуги, потому вторым условием для зажигания и горения дуги является наличие ионизации столба дуги за счет введения в состав покрытия штучных электродов либо в состав флюсов таких частей, как алюминий, натрий, барий, калий, литий, кальций и др. Эти элементы владеют низким потенциалом ионизации и в момент зажигания дуги содействуют резвому ее возникновению. Третьим условием стойкости горения дуги при сварке на переменном токе является наличие в сварочной цепи дросселя (завышенной индуктивности). Это разъясняется тем, что в сварочной цепи переменного тока, имеющей только омическое сопротивление, в процессе горения дуги образуются обрывы (100 обрывов дуги за секунду при промышленной частоте переменного тока 50 Гц). При замыкании накоротко сварочной цепи получают раскаленный конец электрода, при этом в силу вступает закон Джоуля-Ленца. Выделяемое количество тепла достаточно для мгновенного расплавления конца электрода. Часть металла на конце электрода превращается в пар. При отрыве конца электрода от изделия атомы приходят в возбужденное состояние и с их крайних орбит срываются электроны проводимости.

Ионом называется атом или молекула вещества, имеющая один или несколько элементарных зарядов. Положительные ионы имеют избыточный положительный заряд; они образуются при потере нейтральным атомом или молекулой одного или нескольких электронов из своей наружной (валентной) оболочки (электроны, вращающиеся в валентной оболочке атома, связаны слабее, чем электроны внутренних оболочек, и поэтому легко отрываются от атома при столкновениях или под действием облучения). Отрицательные ионы имеют избыточный отрицательный заряд; они образуются, если атом или молекула присоединяет к своей валентной оболочке лишние электроны. Процесс, при котором из нейтральных атомов и молекул образуются положительные и отрицательные ионы, называется ионизацией, а воздушный дуговой промежуток будет ионизированным. Ионизированный воздушный дуговой промежуток – плазма проводящая ток. Ионизация, вызванная в некотором объеме газовой среды, называется объемной ионизацией. Объемная ионизация, полученная благодаря нагреванию газа до очень высоких температур, называется термической ионизацией.

Таким образом, электропроводность воздушного промежутка между электродами, а отсюда и устойчивое горение дуги обеспечивается эмиссией катода и объемной ионизацией газов в зоне дуги, благодаря которым в дуге этих металлов обладают малым потенциалом ионизации. Возникновение сварочной дуги происходит в несколько этапов (рисунок 1.9).

Строение сварочной дуги показано на рисунке 1.10.

Введение этих элементов в обмазку электродов способствует большему образованию большого количества заряженных частиц, следовательно легче зажигать дугу. Обмазка электродов способствует легкому зажиганию дуги и устойчивого ее горения. За единицу энергии ионизации принят – электронвольт (эВ). Эта единица численно равна энергии, которую получает электрон, проходя через электрическое поле с разностью потенциалов в 1В.

Основные сведения о сварочной дуге

Сварочная дуга представляет собой длительный мощный электрический разряд, происходящий при давлении, близком к атмосферному в газовом промежутке между двумя электродами, находящимися под напряжением. Если одним из электродов является свариваемый металл, то такая дуга называется дугой прямого действия. Если дуга горит между двумя отдельными электродами (угольными или вольфрамовыми), то это дуга кос венного действия. В технике сварки наибольшее применение имеет дуга прямого действия, обеспечивающая более глубокое проплавление металла и лучшее использование тепла дуги.

Дуга комбинированного действия включается в цепь трехфазного тока и горит одновременно как между двумя электродами, так и между каждым из электродов и свариваемым металлом. В этом случае количество выделяющегося тепла увеличивается и производительность сварки возрастает. Такой способ получил название сварки (наплавки) трехфазной дугой.

Дуга прямого действия постоянного тока, горящая между металлическим электродом и свариваемым металлом, имеет три ясно различимые зоны: катодную 3, граничащую с катодным пятном 2 на электроде 1, анодную, граничащую с анодным пятном на металле 8 и столб 4. При средних значениях тока (200—300 а) диаметр анодного пятна в 1,5—2 раза больше диаметра катодного пятна.

Столб дуги образует плазму — особое состояние вещества, при котором оно состоит из смеси электронов, положительных и отрицательных ионов и нейтральных атомов, и находится при очень высоких температурах. Электрический столб дуги нейтрален, так как в нем суммы отрицательных и положительных зарядов частиц равны.

Зона наиболее высоких температур, достигающих 5500— 7800° С, находится в середине столба дуги. Чем выше плотность тока в дуге, тем выше температура столба. Снаружи столб окружен ореолом пламени из нагретых паров и газов, имеющих более низкую температуру.

Плотности тока в электроде могут значительно колебаться в зависимости от способа сварки и составляют примерно, а/мм2:

Газы и пары при обычных физических условиях являются электрически нейтральными веществами и почти не проводят ток. Электрический ток начинает проходить через газ только при наличии в нем частиц, несущих электрические заряды: электронов, положительных ионов, отрицательных ионов. Такой газ называется ионизированным. Чем больше электронов и ионов движется в газе, тем выше ионизация газа и его электропроводность. Электрически заряженные частицы вещества являются переносчиками электрической энергии в среде ионизированного газа. Ионизируется дуговой промежуток в основном свободными электронами, выбрасываемыми катодом, которые при соударениях с атомами и молекулами газа выбивают из них электроны, превращая частицы в положительные или отрицательные ионы, способные проводить электрический ток.

В зависимости от способа сварки, применяемых электродов и среды, в которой происходит горение дуги, используются различные виды сварочных дуг, например:

1. Дуга между плавящимся металлическим электродом с соответствующим покрытием и свариваемым металлом. Устойчиво горит при соответствующем покрытии на постоянном и на переменном токе. Широко применяется при сварке многих металлов.
2. Дуга между плавящимся металлическим электродом и свариваемым металлом, горящая под слоем флюса. Устойчива при постоянном и переменном токе. Широко используется при полуавтоматической и автоматической сварке под флюсом.
3. Дуга между неплавящимся или плавящимся электродом и свариваемым металлом, горящая в среде защитных газов (аргоне, гелии, углекислом газе, водороде, азоте и др.). Широко используется при сварке различных металлов, а также при плазменно-дуговой резке.
4. Дуга между угольным или графитовым электродом и свариваемым металлом. Горит устойчиво только при постоянном токе свыше 5 а прямой полярности. Применяется при воздушно-дуговой резке, при сварке — редко.
5. Дуга между стальным плавящимся электродом и свариваемым металлом, горящая в воде. Требует несколько повышенного напряжения зажигания и горения по сравнению с дугой, горящей на воздухе. Применяется при подводной сварке и резке.
6. Дуга между плавящимся электродом и свариваемым металлом, горящая на переменном токе повышенной частоты (300-500 гц). Применяется при сварке металла малой толщины током небольшой величины. Повышенная частота тока обеспечивает устойчивое горение дуги в этих условиях.
7. Дуга между плавящимся электродом и свариваемым металлом при использовании переменного тока промышленной частоты (50 гц) с наложением тока высокого напряжения (2000-3000в) и высокой частоты (до 250 кгц). Применяется для обеспечения устойчивости горения дуги и облегчения ее возбуждения. Ток высокой частоты получают с помощью осциллятора. Применяется при сварке дугой малой мощности и аргоно-дуговой сварке.
8. Дуга между двумя плавящимися электродами и свариваемым металлом на переменном токе, включенными по схеме трехфазной сварки. Применяется при сварке и наплавке.
9. Дуга косвенного действия переменного тока между двумя неплавящимися (вольфрамовыми) электродами. Требует повышенного напряжения: при зажигании – до 300 в, горении – до 100 в. Эта дуга применяется при способе атомно-водородной сварки.

Все перечисленные разновидности дуг требуют источников питания током, характеристики которых должны отвечать свойствам данной сварочной дуги и обеспечивать легкое возбуждение и устойчивое горение дуги при сварке или резке.