- •Раздел I источники энергии для сварки
- •Глава 1. Физические основы и классификация сварочных процессов
- •1.2. Физико-химические особенности получения сварных, паяных и клеевых соединений
- •1.2.1. Механизм образования монолитных соединений твердых тел
- •1.2.2. Сварка плавлением и давлением
- •1.2.3. Пайка и склеивание
- •1.3. Термодинамика сварки и баланс энергии при сварке
- •1.3.1. Термодинамическое определение сварки
- •1.3.2. Типовой баланс энергии при сварке
- •1.3.3. Кпд сварочных процессов
- •1.4. Классификация сварочных процессов
- •1.4.1. Признаки классификации сварочных процессов
- •1.4.2. Термические процессы
- •1.4.3. Термомеханические процессы
- •1.4.5. Прессово-механические процессы
- •1.5. Требования к источникам энергии для сварки и оценка их эффективности
- •1.5.1. Оценка энергетической эффективности процессов сварки
- •1.5.2. Расчет энергоемкости процессов сварки
- •Глава 2. Физические процессы в дуговом разряде
- •2.1. Электрический разряд в газах
- •2.1.1. Виды разряда
- •2.1.2. Возбуждение дуги и ее зоны
- •2.1.3. Вольт-амперная характеристика дуги
- •2.2. Элементарные процессы в плазме дуги
- •2.2.1. Основные параметры плазмы
- •2.2.2. Квазинейтральность. Плазменная частота и дебаевский радиус экранирования. Коллективные свойства плазмы
- •2.2.3. Идеальная плазма. Плазменный параметр
- •2.2.4. Эффективное сечение взаимодействия
- •2.2.5. Эффект Рамзауэра
- •2.2.6. Упругие и неупругие соударения
- •2.2.7. Потенциал ионизации
- •2.2.8. Термическая ионизация
- •2.2.10. Деионизация
- •2.3.1. Электропроводность
- •2.3.2. Амбиполярная диффузия
- •2.3.3. Теплопроводность плазмы
- •2.4. Элементы термодинамики плазмы
- •2.4.1. Термическое равновесие
- •2.4.2. Уравнение Саха
- •2.4.3. Эффективный потенциал ионизации
- •2.5. Баланс энергии и температура в столбе дуги
- •2.5.1. Баланс энергии в столбе дуги
- •2.5.2. Температура дуги
- •2.5.3. Влияние газовой среды
- •2.6. Приэлектродные области дугового разряда
- •2.6.1. Эмиссионные процессы на поверхности твердых тел
- •2.6.2. Катодная область
- •2.6.3. Анодная область
- •2.6.4. Измерения в приэлектродных областях
- •2.6.5. Баланс энергии в приэлектродных областях
- •2.6.6. Потоки плазмы в дуге
- •2.7. Магнитогидродинамика сварочной дуги
- •2.7.1. Собственное магнитное поле дуги
- •2.7.2. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье
- •2.7.3. Внешнее магнитное поле и дуга
- •2.7.4. Вращающаяся дуга
- •2.8. Перенос металла в сварочной дуге
- •2.8.1. Виды переноса металла
- •2.8.2. Импульсное управление переносом металла в дуге
- •2.9. Сварочные дуги переменного тока
- •2.9.1. Особенности дуги переменного тока
- •2.9.2. Вентильный эффект
- •2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом
- •2.10.1. Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями
- •2.10.2. Сварка под флюсом
- •2.10.3. Металлические дуги в защитных газах и вакууме
- •2.11. Сварочные дуги с неплавящимся электродом
- •2.11.1. Аргонодуговая сварка w-электродом
- •2.11.2. W-дуга в гелии
- •2.11.3. Баланс энергии w-дуги
- •2.11.4. Дуга с полым неплавящимся катодом в вакууме
- •2.12. Плазменные сварочные дуги
- •2.12.1. Виды и особенности плазменных дуг
- •2.12.2. Газовые среды
- •2.12.3. Применение плазменной дуги
- •Глава 3. Термические недуговые источники энергии
- •3.1. Электронно-лучевые источники
- •3.1.1. Формирование электронного пучка
- •3.1.2. Основные физические характеристики электронного пучка
- •3.1.3. Взаимодействие электронного пучка с веществом
- •3.1.4. Применение электронно-лучевых процессов для сварки
- •3.2. Фотонно-лучевые источники
- •3.2.1. Полихроматический свет
- •3.2.2. Когерентное излучение и его основные свойства
- •3.2.3. Основные характеристики лазеров
- •3.2.4. Взаимодействие лазерного излучения с веществом
- •3.3. Газовое пламя
- •3.4. Электрошлаковая сварка
- •3.5. Термитная сварка
- •Глава 4. Прессовые и механические сварочные процессы
- •4.1. Прессовые сварочные процессы
- •4.1.1. Способы термопрессовой сварки
- •4.1.2. Кузнечная сварка
- •4.2. Механические сварочные процессы
- •4.2.1. Прессово-механический контакт и холодная сварка
- •4.2.2. Трущийся контакт и сварка трением
- •4.2.3. Ударный контакт и сварка взрывом
2.9.2. Вентильный эффект
В связи с изменяющимися условиями существования дуги переменного тока на электродах (различие в работе выхода электронов φ1 и φ2, разные температуры Tпл и Tкип, разные формы электродов и разный теплоотвод от них) возможна асимметрия токов и напряжений в разные полупериоды горения дуги - так называемый вентильный эффект (рис. 2.46). Например, при аргонодуговой сварке алюминия вольфрамовым электродом относительная асимметрия токов ΔI = Iw – IA1 может достигать 50 % и более.
В этом случае стационарная термоэлектронная эмиссия с W-катода и его остаточная эмиссия значительно больше, чем с «холодного» А1-катода по следующим основным причинам:
температура плавления вольфрама (Twпл ≈ 4000 К) значительно превышает температуру плавления алюминия (ТAl пл ≈ 950 К);
катодное падение потенциала алюминия UAl k значительно
больше, чем катодное падение потенциала вольфрама Uw k ;
3) теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в W-стержень.
Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность сварочного процесса, формирование шва, чистоту поверхности, прочностные свойства соединения. Кроме того, постоянная составляющая ΔI вредно сказывается на работе сварочных преобразователей энергии (трансформаторов) и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляющей включают конденсаторы, аккумуляторы или другие устройства, компенсирующие вентильный эффект.
2.10. Сварочные дуги с плавящимся электродом
Распределение энергии в сварочных дугах, их энергетическая структура определяются рядом факторов, главнейшие из которых следующие:
состав плазмы, размеры и условия стабилизации столба дуги;
материал, размеры и форма электродов (особенно катода).
Кроме того, большое влияние на распределение энергии в сварочных дугах оказывает режим сварки: плотность тока, сила тока, полярность, наличие импульсов, их амплитуда и частота, динамические характеристики источника питания и т. п. Все эти факторы взаимосвязаны.
Основными технологическими применениями Ме-дуг являются сварка и резка плавящимся электродом. Ме-дуги используют при сварке электродами без покрытия и с покрытием, при сварке порошковыми электродами и проволоками, при сварке под флюсом и в защитных газах (СО2, Аг, Не), а также при сварке в вакууме. Защитные среды для металлических дуг в большинстве случаев обеспечивают широкие возможности регулирования металлургических процессов при сварке.
2.10.1. Ручная дуговая сварка электродами с покрытиями
Ручная сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диаметром 2...6 мм на постоянном и переменном токах 100...300 А при плотностях тока по сечению электрода j < 20 А/мм в любом пространственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему, состоящую из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. КПД дуги составляет около 75 %. Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30 % общей мощности дуги (табл. 2.5).
Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Значение Uk + Ua определяли из опытов экстраполированием прямой по уравнению Айртона U д = а + blд (рис. 2.47).
Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На нее оказывают влияние внутренние условия в самой дуге
(состав и свойства плазмы) и внешние условия - статические и динамические свойства источника питания и характеристики электрической цепи, определяющие в большой мере переходные процессы в дуге. Наиболее известна оценка устойчивости дуги по ее разрывной длине lразр. Чем больше разрывная длина дуги, тем выше ее устойчивость (см. табл. 2.5).
Многие авторы указывают, что введение в дугу элементов с низким потенциалом ионизации Ui (в первую очередь щелочных металлов) повышает ее устойчивость. Введение таких элементов облегчает возбуждение дуги, горение ее на переменном токе, а также стабилизирует положение катодного пятна и изменяет характер дуги на постоянном токе. При достаточной концентрации этих элементов можно получать диффузионную привязку дуги на катоде, что существенно влияет на характер плавления и переноса электродного материала.
Считается, что пары легкоионизируемых элементов попадают в столб дуги и повышают степень ионизации в нем. Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с их воздействием на работу выхода электронов с катода, поскольку значение φ тесно связано с потенциалом ионизации. Пары элементов-ионизаторов попадают в катодную область, понижают работу выхода электронов с катода, что снижает катодное падение потенциала, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом. Анодное падение мало изменяется и, как уже отмечалось, составляет в Ме-дугах 2,5 ±0,5 В. При уменьшенииUk + Ua увеличивается градиент напряжения в дуге (рис. 2.48). Это, например, облегчает сварку на автоматах с регуляторами напряжения дуги. Введение элементов-ионизаторов приводит к уменьшению мощности, выделяемой в приэлектродных областях, и к увеличению Доли энергии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплавления при этом обычно снижается.