2. Сварочная дуга

2.1. Электрические и тепловые процессы при сварке

2.1.1. Общие требования к сварочным источникам тепла

В большинстве случаев сварка выполняется с местным нагревом свариваемых деталей до температуры, определяемой свойствами их материалов и способов сварки. При сварке плавлением температура в месте сварки(Tм) значительно больше температуры плавления металла (Тпл).

Для сварочного нагрева может быть использовано превращение различных видов энергии в тепловую: электрической, химической, механической, лучистой, атомной и др. Наиболее широко применяют источники тепла, основанные на превращении энергии электрического тока в тепло. Это дает следующие преимущества: чистота процесса, возможность точно регулировать нагрев, создавать различные тепловые мощности, получать высокие температуры, необходимые для сварки. Этот источник тепла и самый экономичный.

Электрические источники тепла разнообразны по своей природе и принципу действия. Наиболее важные их них:

1)Электрический дуговой разряд или электрическая дуга;

2)Плазменная струя;

3)Джоулево тепло, выделяющееся в проводниках при протекании через них тока;

4)Индукционные токи, возникающие в металле при воздействии переменного магнитного поля;

5)Электронный луч, бомбардирующий нагреваемое тело электронами.

В химических источниках тепла используют экзотермические химические реакции, идущие со значительным выделением тепла. К ним относятся :

1)сжигание газов, жидкостей иди твердых горючих в смеси с кислородом или возду-

хом;

2)сжигание основного металла в кислороде;

3)термитные реакции; 4) обменные реакции различных химических соединений с основным металлом.

20

Сварочные источники тепла должны обладать: 1) большой тепловой мощностью; 2) высокой концентрацией тепла; 3) значительной эффективностью; 4) экономичностью. Кроме того, они должны быть удобными в работе.

Тепловая мощность источника q – полное количество тепла, выделяемого им в единицу времени – (кал/сек).

Часть тепла бесполезно идет на нагрев атмосферы, инструмента, оборудования и т.п., другая часть эффективно расходуется на нагрев деталей. Количество тепла, сообщаемое источником нагреваемой детали в единицу времени, называется эффективной мощностью источника тепла – qu (кал/сек). Важной характеристикой источника тепла является эффективный КПД – hu , представляющий отношение эффективной мощности к полной

тепловой мощности: hu	=	qu	или hu	=	qu	×100 % . Воздействие источника тепла на на-
		q
					q

греваемый металл оценивается интенсивностью источника, определяющей удельную тепловую мощность.

2.1.2. Электрические и тепловые свойства дуги

Электрические свойства дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный самостоятельный разряд электричества в атмосфере газов и паров металла между двумя электродами, проводящими большой ток - (5-4000) А - при относительно низком напря-

жении – (10-60)В.

В обычных условиях газы не являются проводником, но при наличии заряженных частиц, электронов и ионов становятся электропроводными.

Включенные в цепь два электрода при соприкосновении дают ток короткого замыкания. При этом они сильно нагреваются и выделяют тепло. Металл катода сильно накаляясь, приобретает способность излучать свободные электроны в пространствотер- моэлектронная и автоэлектронная эмиссия(кинетическая энергия электронов становится больше энергии, необходимой для преодоления электростатического притяжения электрода) (рис.2.1.а).

После раздвижки (на 3-5мм) электродов ток не исчезнет, но уменьшится. Вызванный поток электронов вызывает ионизацию газа в межэлектродном зазоре и возникновение дугового разряда. В дуговом промежутке происходят сложные процессы. По пути от катода к аноду электроны сталкиваются с нейтральными частицами воздуха. Вследствие удара и других причин происходит ионизация воздуха: образуются новые катионы и ионы. Положительные ионы, обладающие большой массой и образующие мощный поток, бомбардируют катод, а отрицательные частицы – анод (рис.2.1, б).

21

В электрической дуге, питающейся постоянным током и горящей между двумя электродами, различают три основных участкакатодную область, столб дуги и анодную область (рис.2.1.в). Дуга окружена ореолом пламени, представляющим собой раскаленную газообразную смесь паров металлов и продуктов их реакции с окружающей средой. Наличие ярко светящегося катодного пятна объясняется многими причинами, одной из главных является бомбардировка ионами. Благодаря свечению катод долгое время сохраняет эмиссию, которая прекратится в противном случае. На катодном пятне весьма велика плотность тока (при d = 3 ¸ 4мм I = 300-400 A). На аноде существует анодное пятно, не играющее существенной роли. При бомбардировке его электронами и отрицательными ионами энергия их движения превращается в тепловую.

а)	б)	в)

Рис. 2.1. Схема процесса зажигания дуги и ее строение:

а – короткое замыкание; б – ионизация воздуха; в - установившаяся сварочная дуга; 1 – электрод (катод); 2 – анод (изделие); 3 – электроны; 4 – ионы; 5 – катодная область;

6 – столб дуги; 7–анодная область; 8–ореол

В процессе сварки на основном металле(аноде) образуется углубление, называемое кратером. Расстояние между концом электрода и дном кратера называют длиной дуги lд. Причины образования кратера не очень ясны и на этот счет существует три гипотезы.

Согласно первой гипотезы кратер образуется под действием магнитного поля дуги. Другая гипотеза объясняет кратер давлением газов и паров, образованных при большой температуре. Третья гипотеза – каждая капля испаряется, разлетаясь подобно ракете в разные стороны.

Расстояние от поверхности металла до дна кратера – глубина проплавления – h.

При горении дуги электропроводность столба дуги увеличивается за счет паров металла, нагретого газа, автоэлектронной эмиссии (высокая напряженность электрического поля) и других процессов. Изменение электропроводности столба дуги оказывает решающее влияние на величину тока и напряжение электрической дуги. Напряжение на дуге равно сумме падений напряжений в трех основных областях (рис.2.2).

22

Рис.2.2. Напряжение дуги:

Uд = Uк +Uс +Uа

Uд – напряжение на дуге, В;

Uк – падение напряжения на катоде, В;

Uс – то же в столбе дуги;

Uа – то же на аноде

Зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. В общем виде статическая характеристика имеет

вид (рис. 2.3). При малых значениях Icв в электроде (обл. I) статическая хар-ка дуги падающая (отрицательная).

Рис. 2.3. Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Iсв – сварочный ток, А; Uд – напряжение дуги, В;

I, II, III – соответственно падающая (отрицательная), жесткая, возрастающая (положительная) характеристики

При средних значениях силы тока (ручная и автоматическая сварка под флюсом) напряжение в дуге не зависит практически от силы тока(обл. II, так называемая жесткая характеристика). В этом случае достаточно точно статическая вольт-амперная характеристика может быть выражена аналитически:

Uд = А + В ×lд ,

где lд – длина дуги, мм;

А (вольты) и В (В/мм) – постоянные коэффициенты, зависящие от материала электродов, давления и свойств газовой среды.

Из этого уравнения следует, что при прочих равных условиях, напряжение на дуге будет зависеть от длины дуги (рис.2.3). Из рис. 2.4 видно, что с возрастанием тока – Iсв до (30-50)А – напряжение падает резко, а далее остается почти постоянным. В момент зажигания дуги для ионизации газа требуется напряжение(30-60)В, а при установившемся режиме дуги требуется в 1,5-2 раза меньшее. Напряжение горения дуги при токах более (50-60) А не зависит от силы тока, а только от длины дуги, изменяясь пропорционально ей.

23

Рис. 2.4. Зависимость статической вольт-амперной характеристики от длины дуги

Возрастающая (положительная) вольт-амперная характеристика дуги(обл.Ш) (рис.2.3) получается при большой силе тока(при автоматической сварке под флюсом или при сварке в среде защитных газов).

Электрический режим дуги переменного токаобладает рядом особенностей. Характер изменения I и U в электрической дуге переменного тока выражается кривыми (рис.2.5). Если кривая I почти не искажается, то кривая U искажена резко.

Рис. 2.5 Электрический режим дуги, питающейся переменным током

t – время восстановления дуги, с

Здесь t – время восстановления дуги, т.е. время необходимое для восстановления напряжения от 0 до U зажигания дуги. Чем меньше t, тем спокойнее и устойчивее горит дуга. С повышением напряжения уменьшается время восстановления дуги(рис.2.6,а) (U1>U2; t1<t2), но напряжение не должно превышать безопасных значений для промышленной частоты (70-80 B). Условия зажигания дуги (рис. 2.6,б) переменного тока очень зависят от сдвига фаз между U и I. Угол сдвига фаз должен быть таким, чтобы в момент перехода тока через нулевое значение напряжение трансформатораU достигало напряжения зажигания дуги Uд.

Отклонения дуги. На дугу, являющуюся гибким проводником тока, действуют различные факторы, отклоняя ее от прямолинейного направления. Это отклонение, осо-

24

бенно заметное при сварке на постоянном токе большой силы, получило название магнитного дутья. Особенно большой силы оно достигает при токах300-400 А. На появление магнитного дутья влияют: сила сварочного тока, взаимодействие магнитных полей вокруг электрода и изделия, неуравновешенные ферромагнитные массы, расположение токоподвода к изделию, зазоры между свариваемыми деталями, угол наклона электрода

к изделию, воздушные потоки и др. факторы.
а)	б)

Рис. 2.6

а– зависимость времени зажигания дуги t от напряжения дуги;

б– угол сдвига фаз «y» при питании дуги переменным током;

Собственное магнитное поле возникает от прохождения тока по элементам, составляющим сварочную цепь. При симметричном магнитном поле дуга горит нормально, в противном случае отклоняется (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Отклонение дуги под действием собственного магнитного поля

Соответствующим подбором угла наклона электрода также изменяют интенсивность магнитного дутья. Близко расположенные ферромагнитные массы, имея большую магнитную проницаемость, стремятся на себя замкнуть магнитные силовые линии(рис.

2.8). Аналогичные процессы протекают при сварке угловым швом деталей большого размера (рис.2.9) и при сварке стыковых швов.

25

Рис. 2.8

Рис. 2.9

Наиболее распространенные способы уменьшения влияния магнитного дутья: наклон электрода в сторону отдувания дуги; подключение токоподвода к изделию в определенном месте; уравновешивание магнитных масс; замена постоянного тока переменным.

Тепловые свойства дуги. Электрическая дуга является мощным и концентрированным источником тепла. Распределение температуры в зоне дуги подчиняется сложным законам и весьма неравномерно вдоль и поперек оси дуги. При угольном катоде температура у катода3300-3100° по оси, у анода 3800-4000°. В середине дуги температура достигает 6000-7000° (рис.2.10). Неравномерно и выделение тепла, у анода его больше (42-43%), анод горячее, чем пользуются сварщики, используя прямую или обратную полярность. В большинстве случаев свариваемые детали массивны и чаще применяют прямую полярность. Обратную применяют: I) при сварке тонких элементов во избежа-

ние прожога; 2) при использовании электродов некоторых типов (в паспорте указывают ток и полярность). При дуге переменного тока температура и количество выделяемого тепла на обоих электродах выравниваются.

Рис. 2.10

а – свариваемое изделие; б – угольный электрод

Тепловая мощность горящей дуги– q0 – полное количество тепла, выделяемое ею в единицу времени (тепловой эквивалент электрической мощности):

q0=0,24×I×Uд, кал/сек.

26

Часть тепла бесполезно идет на нагрев атмосферы, оборудования и т.п., другая часть эффективно расходуется на нагрев свариваемых деталей. Количество тепла, сообщаемое сварочной дугой свариваемой детали в единицу времени, называется эффективной тепловой мощностью сварочной дуги:

q0=0,24×I×Uд×h , кал/сек.

h – эффективный КПД нагрева металла дугой, зависящей от способа сварки, мате-

риала электродов, состава покрытия и др.

h = 0,6 ¸ 0,5 – при сварке тонкопокрытыми электродами и в среде защитных газов

(аргон);

h= 0,7 ¸ 0,85 – при сварке толстопокрытыми электродами;

h= 0,8 ¸ 0,95 – при сварке под флюсом.

Погонной энергией дуги называют количество тепла, вводимого в 1см длины однопроходного шва или валика; она определяется отношением эффективной тепловой мощности дуги к скорости перемещения дуги v в см/сек:

q = 0,24 × I ×U д ×h ,кал/см. n n

Погонная энергия является основным показателем для выбора режима сварки.

При дуговой сварке плавящимся электродом и постоянном сечении однопроходного шва или валика многопроходного шва погонная энергия пропорциональна поперечному сечению однопроходного шва или валика и в этих случаях погонная энергия может быть выражена:

q = 0,24 × I ×U д ×h ×g × F , кал/см.

naн

где g – удельный вес металла шва; aн – коэффициент наплавки;

F – поперечное сечение шва, см2.

Подставив в последнюю формулу численные значения для ручной сварки электродами с толстым покрытием и для автоматической сварки получим значения погонной энергии:

q = (150 ¸158)F, кал/см; v

обычно принимают: q =150 × F, кал/см, v

где F – площадь поперечного сечения шва, см2.

Пользуясь этой формулой можно определить величину погонной энергии по заданному сечению шва.

27