ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

В зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую различают дуговую, электрошлаковую, высокочастотную, диффузионную и плазменную сварку.

Дуговая сварка

Дуговая сварка — сварка плавлением, при выполнении которой нагрев осуществляется электрической дугой.

Электрофизические свойства сварочной дуги.

Сварочная дуга — одна из форм электрического разряда в ионизированной смеси газов, паров металла, компонентов электродных покрытий и флюсов.

Для возбуждения электрической дуги необходимо ионизировать воздушный промежуток между электродами; только в этом случае он будет проводить электрический ток. В обычных условиях газы нейтральны. Их ионизация может произойти под влиянием внешнего воздействия: сильного нагрева, высокочастотного электромагнитного излучения или бомбардировки быстрыми электронами. Для ионизации атома (молекулы) необходимо совершить работу, превышающую энергию взаимодействия электрона с остальной частью атома (молекулы) и называемую работой ионизации. Ее значение зависит от природы химических связей атомов в молекулах и энергетического состояния вырываемого электрона. Так, например, работа ионизации Не, Ne, N2, Аг, С02 и Na составляет соответственно 24,5; 21,5; 15,8; 15,7; 14,4 и 5,1 эВ.

Ионизировать воздушный промежуток для возбуждения дуги (рис. 2.1) можно непродолжительным коротким замыканием электрической цепи источник питания (ИП) — сварочный электрод (катод) — заготовка (анод). Электродом / (рис. 2.1, а) кратковременно касаются заготовки 2. При этом между вершинами микронеровностей электрода и заготовки протекает ток короткого замыкания. При достаточно большой силе этого тока в промежутке между торцом электрода и поверхностями свариваемых заготовок выделяется такое количество теплоты, которое позволяет разогреть до расплавления вершины микронеровностей. Из расплавленного металла образуются «мостики» 3.

При быстром отводе электрода от заготовки (рис. 2.1, б) «мостики» растягиваются и сужаются. В результате плотность тока в

Схема возбуждения дуги коротким замыканием

Рис. 2.1. Схема возбуждения дуги коротким замыканием:

а — расплавление вершин микронеровностей; б — испарение металла; в — вылет электронов; г — ионизация атомов: / — электрод; 2 — заготовка; 3 — «мостик» из расплавленного металла; 4 — растянутый «мостик», 5 — пары металла; 6 — положительный ион; 7 — электрон; 8 — атом; /к, — сила тока короткого замыкания

«мостиках» Остановится достаточной для испарения части металла. Промежуток между электродом и поверхностями свариваемых заготовок ионизируется, и возникает дуговой разряд. Если факторы, поддерживающие ионизацию, сохраняются, то образуется устойчивая электрическая дуга.

При нагреве торца электрода и заготовок электроны поверхностного слоя катода получают приращение кинетической энергии, позволяющее им преодолеть границу раздела твердое тело — газ (термоэлектронная эмиссия). Электроны 7(рис. 2.1, в) устремляются к аноду со скоростью, достигающей 2 км/с, и сталкиваются с молекулами 8 (рис. 2.1, г) паров металла и компонентов покрытия электрода.

При столь высокой скорости электронов их столкновения с нейтральными атомами приводят к ионизации последних. Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер, поток заряженных частиц ориентируется электрическим полем, что обеспечивает стабильное горение дуги.

В момент зажигания дуги воздушный промежуток между электродом и заготовками недостаточно прогрет, поэтому необходимо ввести дополнительную энергию для его ионизации (повысить разность потенциалов между катодом и анодом). Наиболее нагретый участок поверхности торца катода (рис. 2.2), называемый активным катодным пятном J, проводит весь ток дуги.

Участки электрической дуги

Рис. 2.2. Участки электрической дуги:

1 — анодное пятно; 2 — дуга; 3 — катодное пятно; 4 — катод; 5 — анод; 1са сила сварочного тока; LA — длина дуги; La — протяженность анодной области; Lcдлина столба дуги; LK протяженность катодной области; U% падение напряжения на дуге; (/,, UK, UK — падение напряжения в анодной, катодной областях

и столбе дуги

При повышении силы тока до 50 А площадь катодного пятна увеличивается, возрастают плотность тока и ионизация дугового промежутка. В результате уменьшается электрическое сопротивление этой области, и для поддержания необходимого тока требуется меньшая разность потенциалов. При силе тока более 50 А катодное пятно занимает всю площадь торца электрода, скорость увеличения электропроводности дугового промежутка примерно равна скорости возрастания тока и падение напряжения в столбе дуги сохраняется практически постоянным.

У дуги длиной Ад можно выделить три характерных участка: катодную область протяженностью LK ~ I мкм, анодную область протяженностью ?а = I... 10 мкм и среднюю часть дуги длиной Ас, называемую столбом дуги. Поскольку LK + Lx « Ас, можно допустить, что Ад = Ас, где Ал — длина всего дугового промежутка. Напряжение дуги складывается из трех составляющих:

где UK, ?/а, Uc падения напряжения соответственно в катодной и анодной областях и в столбе дуги; Ес — напряженность электрического поля в столбе дуги.

Область устойчивого горения дуги определяется ее внутренней статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ), состоящей из трех участков (рис. 2.3).

На участке I (при малой силе тока) статическая ВАХ дуги падающая. Низкая ионизация дугового промежутка приводит к крупнокапельному переносу металла и необходимости поддержания высокого напряжения дуги. Размеры капель примерно равны диаметру электрода. До 85 % электродного материала переносятся в виде крупных капель, остальные 15% осаждаются на свариваемые заготовки в виде брызг. В этих условиях значительная часть капель и брызг успевает окислиться атомарным кислородом, что приводит к неудовлетворительному качеству сварного шва; в то же время работа на повышенных напряжениях небезопасна для сварщика.

На участке II (при средней силе тока) суммарное анодное и катодное падение напряжения является постоянной величиной. Площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается пропорционально силе тока, а электропроводность изменяется мало. Сопротивление столба дуги обратно пропорционально силе тока, тогда как напряженность электрического поля и падение напряжения в столбе дуги от силы тока не зависят. Поэтому статическая ВАХ жесткая, а дуговой промежуток достаточно ионизирован, что приводит к мелкокапельному переносу металла и возможности использования низкого напряжения дуги. Размеры капель составляют 0,6 —0,8 диаметра электрода. До 95% электродного материала переносятся в виде капель, остальные 5 % осаждаются на свариваемые заготовки в виде брызг.

Капельный перенос металла происходит без замыкания каплями дугового пространства. Большинство из них заключены в обо-

Внутренние статические вольт-амперные характеристики дуги

Рис. 2.3. Внутренние статические вольт-амперные характеристики дуги:

/, 2 — ВАХ. соответствующие значениям длины дуги Lai и /,д2л, < Z,n2); U — напряжение; / — сила тока; I, II, III — участки соответственно крупнокапельного, мелкокапельного и струйного переноса металла; U Ua2 — значения напряжения дуги лочку из расплавленного шлака, образующегося при расплавлении материала покрытия. Качество сварного шва значительно выше, чем при крупнокапельном переносе.

Для определения напряжения дуги формулу (2.1) можно представить в виде

где а, Р — постоянные коэффициенты, а = UK + (/a, р = Ес (при сварке низкоуглеродистых сталей а = 2Вир=10 В/мм).

На участке III (при большой силе тока) высокая энергия ионизированных частиц обеспечивает увеличение электропроводности дугового промежутка. На этом участке статическая ВАХ дуги возрастающая, перенос металла струйный, а сварочные напряжения опасны для жизни сварщика. Мелкие капли металла (диаметром 0,3...0,5 диаметра электрода) в виде непрерывной цепочки переносятся на свариваемые заготовки. Струйный перенос металла приводит к уменьшению выгорания легирующих примесей и повышению чистоты сварного шва.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >